某岛礁型海水冷却系统的设计与实现*

马红星，吴 昊

(海军驻合肥地区军事代表室， 安徽 合肥 230088)

某岛礁型海水冷却系统的设计与实现*

马红星，吴 昊

(海军驻合肥地区军事代表室， 安徽 合肥 230088)

文中探讨了某岛礁型雷达海水冷却系统的设计与实现过程，并就这一过程中出现的问题提出了相应的技术解决方案。，同时针对特殊的岛礁使用环境，提出了模块化、分布式海水冷却系统的设计思路。该冷却系统除以海水冷却为主工作模式外，还以风冷为备用工作模式，这2种工作模式可自动切换。实践证明，该海水冷却系统除满足岛礁雷达冷却要求外，还兼顾了岛礁装备的运输、架设及无人值守等方面的要求，具有一定的推广应用价值。

雷达；海水冷却系统；岛礁

引 言

一个好的冷却系统设计，必须综合考虑各方面的因素，使其在满足冷却要求的同时，所需的冷却代价最小[1-3]。某岛屿严酷的自然环境给雷达冷却系统的设计提出了较高的设计要求：在满足雷达整机冷却和工作无人值守的前提下，必须充分考虑到岛礁的自然环境条件。本文主要探讨在海水冷却系统设计过程中需关注的设计内容及设计要点，以期给同类装备提供有益的参考。

1 系统设计

1.1 技术指标要求

系统架设于某岛礁，该岛礁地处低纬度，具有终年高温、雨水多、湿度大、空气含盐量高等特点。需冷却的器件主要有某功率器件(热耗为40 kW)和其他4个水冷馈线元件(其中2个的热耗为5kW，另2个为1 kW左右)。要求水冷系统对上述热源进行冷却。，同时，为适应岛礁的环境，水冷系统在组成单元上应进行模块化分解及设计，以满足运输和架设的需求。

1.2 工作模式确定

考虑到雷达架设地点远离陆地，环境腐蚀较为严重，并且有无人值守的要求，因此整个水冷系统采用了一用一备的工作模式，即一路工作，另一路处于待机状态。水冷系统分别为一用一备的两路设备提供液冷，其工作模式如图1所示。

图1 整机工作模式

冷却系统A、B均采用一次水冷和二次风冷+二次海水冷的模式，2个系统互为备份，同时，二次风冷+二次海水冷也互为备份，大大提高了整个冷却系统的可靠性。系统的主工作模式为海水冷，当海水冷处于故障或维修状态时，采用风冷的辅助工作模式，海水冷与风冷的转换由冷却系统自动选择，满足无人值守的要求。

1.3 工作原理

整个冷却系统从原理上分为水冷冷却循环系统和风冷冷却循环系统。水冷冷却循环系统包括海水外循环和冷却液内循环[4-5]。海水外循环冷却介质为海水，采用开环的工作方式。通过设备泵房内的海水泵给板式换热器冷侧供应冷却海水，冷却海水在换热器中吸收热量后，通过管路直接排入大海，完成外循环。冷却液内循环冷却介质为防冻液，内循环系统工作时防冻液由不锈钢泵从贮液箱抽出，流经板式换热器，与外循环冷却海水进行热交换，降温后流经热负载的发热表面，吸收热量，降低热负载温度，冷却液温度随之升高后返回机柜贮液箱，完成内循环。流程如图2所示。

图2 水冷冷却循环系统原理图

风冷冷却循环系统包括空气外循环和冷却液内循环。空气外循环冷却介质为空气，通过风冷换热器机柜内的风机，使循环空气不断通过风冷换热器机柜的风冷换热器，并在风冷换热器与冷却液不断进行热交换，完成外循环。流程如图3所示。

图3 风冷冷却循环系统原理图

1.4 设备组成

整个水冷系统从物理上看，由冷却系统A、冷却系统B、泵房组合管路及附件组成。泵房组合管路负责向冷却系统A和冷却系统B提供冷却海水。冷却系统A与A设备互联，冷却系统B与B设备互联，如图1所示。

冷却系统A在设计中贯彻岛礁产品模块化要求，将水冷机柜按功能单元分成4个部分：1台水泵、贮液箱机柜，1台海水换热机柜，1台流量分配机柜，1台控制机柜及其管路和附件。此外，冷却系统A还有1套风冷换热组合(含6台换热器)。冷却系统B在设备组成上与冷却系统A一致。冷却系统A的设备组成如图4所示。

图4 冷却系统A的设备组成

泵房组合由一用一备的2台海水泵、1台控制箱管路及附件组成。水泵、贮液箱机柜内储存了系统内大部分冷却液，是系统冷却液存储中心，由水泵、贮液箱、机柜壳体及其管路和附件等组成。海水换热机柜是冷却系统一个独立的换热中心，若冷却系统采用海水换热机柜进行换热，电子热负载所产生的热量将通过海水换热机柜的换热器传给海水。海水换热机柜由海水板式换热器、管路及附件等组成。流量分配机柜是系统内循环冷却液的分配中心，通过阀门等的调节，将冷却液分配成各个热负载所需的流量。流量分配机柜由过滤器、供液集管、回液集管、管路及附件等组成。风冷换热组合是冷却系统一个独立的换热中心。若冷却系统采用风冷换热组合进行换热，电子热负载所产生的热量最终都通过风冷换热组合的翅片式换热器向大气热沉排出。风冷换热组合由6组小型换热单元组成，为阵列式分布，每台小型换热单元由风机、翅片式换热器、过滤网和壳体组成。控制机柜负责整个系统的动作控制、故障收集及上报等。

2 相关技术解决方案

2.1 流量分配

因40 kW支路的流量较大，而其他4路流量较小，若所有支路都从1个配水器上进行分配，则较大流量的支路就会影响较小流量的支路，导致较小流量支路不稳定。为减小上述影响，把4路较小流量的支路并联，由一个分集管供应冷却液，分集管上的供液管再与40 kW支路并联，由一个主集管供应冷却液。流量的汇合也按这一方式。流程如图5所示。

图5 流量分配示意图

2.2 风冷进排风

整个水冷系统分布在相对密闭的A、B两个区域内，2个区域的房间互为独立。为确保风冷工作时系统正常进风，A房间和B房间的一面墙体上分别设置4个自动进风的电动风门，各房间内电动风门的开启与关闭与各自的风冷换热组合工作同步，即风冷换热组合工作，对应的电动风门打开；风冷换热组合停止工作，对应的电动风门关闭。

系统的排风由A、B两个区域的空气换热组合完成，每个空气换热组合含6台小型换热单元，在每台小型换热单元的出风口上设有一只电动排风阀，同时在小型换热单元的安装墙体上开相应的出风口。该电动排风阀的开启与关闭与各自的风冷换热组合工作同步，即风冷换热组合工作，对应的电动排风阀打开；风冷换热组合停止工作，对应的电动排风阀关闭。

这样，在风冷系统开始工作时，进风电动风门自动打开，出风电动排风阀也自动打开。风冷换热组合工作，各个小型换热单元内的风机开启工作，外界空气先经过电动风门进入各自区域，经各个小型换热单元换热后，再由小型换热单元经出风口排出。风冷系统的进排风如图6所示。

图6 风冷系统的进排风

2.3 环境适应性设计

基于海洋严酷的大气自然环境，为提高系统环境适应能力和可靠性，必须加强以“三防”为核心的环境适应性设计。该水冷系统根据不同的工作模式，构建了多重防护机制。在海水冷的主工作模式下，通过空调系统构建各设备房间的大环控，使得在主工作模式下，整个水冷系统处于恒温、恒湿的工作环境中。如系统进入风冷的辅助工作模式，进出风门全部打开，设备与外界大气接触。针对这一情况，采取了部件级的防护措施：机柜框架等结构件均采用不锈钢材料，以增强冷却系统的耐腐蚀能力，同时对系统进行喷涂和三防处理；机柜底板、导轨和大型元器件的安装固定均采用不锈钢螺栓和螺帽。对电气外露部分进行绝缘处理，线路的接线端子采用铜制冷压接头，并进行防护涂敷，以有效地抗盐雾，防腐蚀。

针对冷却液的防护分2类：针对海水的防护和针对乙二醇冷却液的防护。海水对普通金属管道，如不锈钢或镀锌管的腐蚀性很大，所以对二次冷却海水所用的管材一定要有特殊要求。根据以前使用白铜管(B10)的经验，结合现有的使用条件，该系统选用白铜管(B30)作为二次海水用管，并且适当加厚管壁，以加强系统的可靠性，同时板式换热器的海水过流部分采用钛材质。在内循环中，所有与乙二醇冷却液接触的零部件及元件均选用耐乙二醇腐蚀的321不锈钢材料。

2.4 运输及整架

为适应海洋运输、岛礁整架及建筑的进场要求，所有设备的最大尺寸都严格控制在一定范围内。同时为方便船运，设备采用固定尺寸的货柜进行整体运输，即设备装箱后再分批装入货柜中。该货柜尺寸同时满足从运输船只的船首或上层甲板开孔进入船舱的要求。

海水管路也采用模块化设计，设计管道时根据实际的安装环境，留有相应的调整余量，以弥补实际环境及建筑造成的偏差，管路采用活动法兰的方式。

2.5 系统的控制模式

为适应无人值守的要求，水冷系统采用本控+遥控的工作方式。在正常模式下，机组由遥控指令开机后，进入全自动运行状态；当机组接收到遥控发出的关机指令后，在经过必要的保护动作后，机组停机重新进入待机状态。本控模式用于系统调试。为了应对一些突发情况，机组还设置了应急模式。在应急模式下，自动控制策略自动失效，机组改为全手动操作，适用于紧急开机的情况。

2.6 系统的排气措施

液冷系统长期运行时，流动的冷却液中会夹杂少量的空气。长期无法排出的空气会在系统的局部高点汇集，若越集越多，就可能造成气塞，从而对供液系统的运行产生不利影响。

贮液箱的截面较大，冷却液到达贮液箱后，流速就会迅速下降，空气会与冷却液分离，并汇集于贮液箱顶部，所以设计时在贮液箱顶部设有自动排气阀，从贮液箱顶部排空气。当顶部空气压力大于大气压时，汇集的空气会从自动排气阀排出。在供液系统中，空气容易积于管路局部高点，因此在该系统管路的局部高点也分别设有自动排气阀，使积聚于此处的空气能及时排出，有效防止管路气塞的发生。

3 结束语

该冷却系统自架设于岛礁以来，己累计工作一段时间，其功能及适应性都得到了充分的验证，有效地保障了雷达系统的正常工作。它的设计模式、思路和应用结果都可供其他岛礁冷却系统参考。实践证明，模块化、分布式、与建筑集成的海水冷却系统已经成为岛礁型冷却系统发展的趋势之一。此外，对于岛礁型冷却系统，除海水外，冷却塔、岛礁集中供液等其他模式值得进一步研究。

[1] 周海峰, 邱颖霞, 鞠金山, 等. 电子设备液冷技术研究进展[J]. 电子机械工程, 2016, 32(4): 7-10, 15.

[2] 谢德仁. 电子设备热设计[M]. 南京: 东南大学出版社, 1979.

[3] 张兆光, 傅宝玉. 电子设备冷却手册[M]. 南京: 14所电子设备冷却手册编辑组, 1983.

[4] 邱成悌, 赵惇殳, 蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2001.

[5] 丁连芬. 电子设备可靠性热设计手册[M]. 北京: 北京工业出版社, 1989.

马红星(1976-)，男，硕士，主要研究方向为雷达工程技术和监造。

Design and Implementation of a Seawater Cooling System fora Reef-type Radar

MA Hong-xing，WU Hao

(NavyMilitaryRepresentativeOfficeinHefeiRegion,Hefei230088,China)

In this paper the design and implementation process of a seawater cooling system for a reef-type radar are discussed. And the corresponding technology solutions to the problems in the process are given. At the same time, the design idea of modular and distributed seawater cooling system is put forward according to the special environment of island reef in the South China Sea. The cooling system takes the seawater cooling as the main operation mode and the air cooling as the standby operation mode. The two modes can be automatically switched. Practice has proved that the seawater cooling system not only can meet the cooling requirements of the reef-type radar, but also takes into consideration the transportation, erection and unattended requirements of the island reef equipment.

radar; seawater cooling system; reef

2016-12-30

TK414.2

A

1008-5300(2017)01-0035-04