1500 kW電子設備液冷系統設計

陳恩，江用勝，魏紀君，王坤，張二新

（合肥通用機械研究院壓縮機技術國家重點實驗室，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著大型車載電子設備技術發展和需求，電子設備中電子器件的熱流密度也相應提高。有研究表明，所有的電子元器件都有其工作溫度的上限，任何設計精良的電子設備在長期超溫及不均勻熱應力的情況下都會發生故障或失效[1]。有統計表明，電子器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性降低50%[2]。這些數據都說明了散熱裝置的重要性。

原有的車載電子設備大都采用自然冷卻。隨著發熱密度提高,目前在用的車載電子設備發射器件開始采用強迫風冷形式，這是因為同等冷卻設備體積，強迫風流的換熱量比自然冷卻大10倍。但隨著車載電子設備發射器件發熱密度進一步提高，特別是重要電子設備發射器件的散熱量達到兆瓦級,熱流密度達 250 W/cm2[3]。而軍用電子設備中大量使用的微波功率器件和絕緣柵門極晶體管（IGBT）模塊等的熱流密度則更高[4]，有研究表明，熱流密度將達 1,000 W/cm2[5]。采用自然冷卻和強迫風冷已無法滿足其要求。如果用液體冷卻代替空氣冷卻，散熱效率將得到改善[6]。

由于車載工作環境的要求，車載大功率電子設備液冷系統必須設計成體積小、重量輕、運輸簡單、操作維修方便。

1 主要技術指標和要求

本文選擇某車載電子設備液冷系統作為設計對象。該液冷系統用于電子設備使用過程熱負載設備的液體冷卻，液冷系統為電子設備發熱器件提供一定溫度、流量、壓力的循環冷卻液，通過熱交換最終將電子設備各單元的發熱量排至大氣中，并實現在低溫工作環境下自加熱，為電子設備的電子元器件提供溫度適宜的工作環境。主要技術指標如下：

1) 冷卻能力不小于1,500 kW；

2) 供液流量不小于 400 m3/h（供液壓力為1.0 MPa）；

3) 供液溫度范圍：20 ℃～30 ℃可設定；

4) 供液溫度精度：設定值±2 ℃；

5) 電源：三相 AV 380(1±10%) V、(50±2) Hz；

6) 壓縮機制冷模式最大耗電量不大于1,100 kW；常規液冷模式最大耗電量不大于400 kW；

7) 液冷系統設備（含管路、備件、防凍液、充液裝置和隨機工具）采用6輛車運輸，使用時進行拼裝。

2 系統組成與工作原理

2.1 工作模式

液冷系統的設備分裝6輛車上，工作時能夠快速在限制面積的場地進行管路和電氣系統聯接和調試，滿足發射元件的工作需求。

根據技術要求以及系統使用的環境特點，將液冷系統分為壓縮機制冷和常規冷卻兩種工作模式：當環境溫度大于（T-10）℃時，液冷系統運行壓縮機制冷模式；當環境溫度不大于（T-10）℃時，液冷系統運行常規冷卻模式。其中，T是液冷系統供液溫度設定值。

制冷工況，初始默認設定值為 25 ℃，可設定20 ℃～30 ℃；制熱工況，初始默認設定值為10 ℃,可設定5 ℃～15 ℃。

為了方便管理，液冷系統配置了1臺中央控制箱，對整個液冷系統進行運行管理，并將液冷系統的運行、故障等信息傳遞給電子設備操控臺。

2.2 系統組成

依據液冷系統的技術要求，液冷系統采用模塊化設計，由1個冷卻液輸送模塊和6個制冷模塊拼裝而成，其中1個制冷模塊作為熱備份。冷卻液輸送模塊的主要功能是給循環冷卻液提供動力，使流量、壓力和潔凈度等方面滿足要求的冷卻液在封閉的管路系統中循環。制冷模塊的主要功能是給循環冷卻液進行散熱。綜合考慮電子設備發射器件制冷量要求及水泵向冷卻液散熱等因素，每個模塊設計制冷量為 315 kW，液冷系統設計總制冷量為1,575 kW，供液流量為 400 m3/h，供液壓力為1.0 MPa。冷卻液輸送模塊主要包括中央控制箱、6臺冷卻液循環泵（5用1備）、儲水柜（帶電加熱器）、過濾器、膨脹水箱以及不銹鋼管路及管路附件等部件。制冷模塊主要包括壓縮機、軸流式風機、板式蒸發器、集成式換熱器、控制箱、液管路電磁閥和制冷配件等部件。液冷系統簡易系統流程圖見圖1。

圖1 液冷系統簡易系統流程圖

2.3 系統原理

傳感器將檢測到的環境溫度送至中央控制器，中央控制器將接收到的環境溫度信號與程序設定值比較后進行判斷，按照判斷結果決定冷卻系統開機的兩種工作模式。

常規液冷模式下，各制冷模塊的集成式換熱器冷卻液的進口電磁閥默認為開啟狀態，板式蒸發器冷卻液進口電磁閥默認為關閉狀態。

壓縮機制冷液冷模式下，各制冷模塊的集成式換熱器冷卻液的進口電磁閥默認為關閉狀態，板式蒸發器冷卻液進口電磁閥默認為開啟狀態。

在常規液冷模式或壓縮機制冷模式下，冷卻液循環過程如下：依次啟動冷卻液輸送模塊中的5臺循環泵；冷卻液經循環泵升壓后，通過不銹鋼管路平均分配至5個制冷模塊；冷卻液經過制冷模塊充分散熱后，重新匯聚于冷卻液輸送方艙；經過濾器過濾后輸出方艙，進入電子設備，對電子設備的電子器件進行冷卻；與電子設備換熱后的冷卻液回至冷卻液輸送方艙，經過濾器后進入儲水柜，再次循環。

常規液冷模式下，冷卻液從集成式換熱器流過，隨后開啟各制冷模塊的軸流風機，冷卻液與流經集成換熱器的空氣進行熱交換，將熱量散出。

壓縮機制冷模式下，冷卻液從各制冷模塊的制冷系統的板式蒸發器流過，隨后開啟各制冷模塊的制冷系統，冷卻液與低溫低壓的制冷劑在板式蒸發器中進行熱交換，將熱量通過制冷循環中的集成換熱器散出。單個制冷模塊制冷系統工作過程如下：經壓縮機壓縮后的高溫高壓過熱制冷劑氣體進入集成式換熱器，與流經集成式換熱器表面的空氣進行換熱；制冷劑氣體冷凝成過冷液體，吸熱后的空氣從頂部排出，過冷制冷劑液體經熱力膨脹閥節流后，變成低溫低壓的汽液混合物，進入板式蒸發器蒸發，同時吸收冷卻液的熱量，從板式蒸發器出來的過熱制冷劑蒸汽被壓縮機吸入后又被壓縮送至集成式換熱器，如此循環。

開機后，無論液冷系統處于常規液冷模式還是壓縮機制冷模式，若檢測到冷卻液供液溫度低于0 ℃時，液冷系統首先進入預熱模式：即循環泵開啟以后，開啟儲水柜中的電加熱器，對冷卻液進行預熱。當冷卻液的溫度升至5 ℃時，關閉電加熱器，預熱模式終止，進入正常工作模式。

2.4 設備布置

液冷系統的布置充分考慮設備的操作維修空間、設備之間的管線布置、維修搬運工具的通過性以及設備擺放整齊等方面。冷卻液輸送模塊放置于設備中間，制冷模塊放置于冷卻液輸送模塊的兩側，各3臺。制冷模塊的橫向間距為2.5 m，制冷模塊與冷卻液輸送模塊的間距為 3.0 m，設備占地面積約為18 m×18 m。設備之間采用管路和電纜進行連接，液冷系統與電子設備的供回液管路和冷卻系統之間的管路互不交叉，管線清晰。液冷系統設備布置見圖2。

圖2 設備布置圖

3 系統設計

3.1 液冷液輸送模塊設計

冷卻液輸送模塊主要包括方艙、中央控制箱、6臺冷卻液循環泵（5用1備）、儲水柜、電加熱器、過濾器、流量計、膨脹水箱和不銹鋼管路及管路附件等部件。模塊的結構布置主要綜合考慮各部件的可達性、維修性以及方便運輸、起吊、安裝等方面。

依據模塊組成以及各部件、管路的具體外形尺寸和數量，將冷卻液輸送模塊設計成外形尺寸為8,000 mm（長）×2,500 mm（寬）×2,600 mm（高）的方艙形式。方艙設有一對供給電子設備進、出液的接口及一對供給制冷模塊進、出液的接口，接口均為DN250，接口形式為法蘭連接。冷卻液輸送模塊結構布置見圖3。每個部件都考慮維修空間以及操作使用方便。方艙的運輸以及吊裝接口采用標準方艙接口。

3.2 制冷模塊設計

液冷系統共包括6個制冷模塊，制冷模塊的主要功能是將熱量散發到空氣當中。制冷模塊包括的主要設備有模塊方艙、壓縮機、軸流式風機、集成式換熱器、板式蒸發器、控制箱、電纜及電纜接插件和冷卻液管路及管路附件等部件。

依據技術要求以及各部件、管路的具體外形尺寸和數量，將制冷模塊設計成外形尺寸為4,000 mm（長）×2,500 mm（寬）×2,600 mm（高）的標準方艙形式，制冷模塊結構圖見圖 4。方艙設有一對冷卻液管路進、出接口，接口均為DN150，接口形式為法蘭連接。

圖3 冷卻液輸送模塊內部結構布置圖

圖4 制冷模塊結構圖

3.3 控制系統設計

3.3.1 控制設備組成

控制系統的控制對象包括6個制冷模塊和1個冷卻液輸送模塊。

依據控制對象特征，將控制設備按如下方式進行配置：每個模塊設置1臺專用控制箱進行控制；整個液冷系統設置1臺中央控制箱進行集中控制；中央控制箱上帶有觸摸屏，能夠對冷卻設備的各項檢測參數進行集中顯示，對每個模塊進行操控。中央控制箱置于冷卻液輸送模塊內部，周圍留有足夠的操作空間。

3.3.2 配電方式

液冷系統配電總功率為1,100 kW。液冷系統電源功率分布為制冷模塊約為 150 kW，冷卻液輸送模塊為1,100 kW（包括電加熱功率）。依據電源功率分布，每個制冷模塊電源采用一根電纜輸送，冷卻液輸送模塊電源分為5根電纜輸送，具體配電見圖5。

3.3.3 中控冗余設計

液冷系統控制系統采用雙中控冗余設計。當中控1運行時，冗余中控2從不接收網絡數據，與下面的7臺模塊不進行數據交換。中控1與中控2通過獨立的串行口連接。中控1工作時，定時發送數據給中控 2，通訊內容為所有網絡數據背景包；該數據包中有一固定標志位，中控2定時將其置為一個數據，中控1將于固定時間清除這個位。當中控2檢測該標志位很久無動作時，說明中控1出現問題。中控2給中控1發送權力標記，同時輸出一個硬件IO-1信號給中控1，中控2等待中控1的回送權力標記和硬件IO-2檢測回傳信號。當邏輯判斷和硬件IO握手成功后，實現主控2控制液冷系統。雙中控冗余示意圖見圖6[6]。

圖5 液冷系統配電圖

圖6 中控冗余示意圖

3.3.4 控制模式和功能

整個液冷系統具有遙控和本控兩種工作模式。在遙控模式下，在電子設備顯控臺可對液冷系統實行一鍵啟停。在本控模式下，6個制冷模塊專用控制箱及中央控制箱都具有手動、自動和強制三種控制功能。

制冷模塊手動模式功能：壓縮機制冷/常規液冷模式選擇，壓縮機/風機啟停選擇。制冷模塊自動模式功能：具有自動按鈕，在本控下各模塊實行一鍵啟停。制冷模塊強制模式功能：風機強制啟停、電磁閥強制啟停。

冷卻液輸送模塊專用控制箱上的所有操作按鈕和指示燈設置于中央控制箱。中央控制箱手動模式功能：1～6#制冷模塊啟停，1～6#循環泵啟停、電加熱啟停選擇。中央控制箱自動模式功能：具有自動按鈕，實行液冷系統一鍵啟停。中央控制箱強制模式功能：1～6#循環泵強制啟停、旁通電磁閥強制啟停。

3.3.5 軟件設計

1）控制軟件設計

控制軟件采用模塊化設計，所有單元控制軟件對外提供控制參數接口，接口圖見圖 7。設計思路為在線修改控制程序[7]。

圖7 控制軟件對外接口圖

2）組態軟件設計

采用內置3D引擎組態軟件開發監控臺軟件。將整個液冷系統 3D模型導入監控臺,對液冷系統完成能耗管理、設備故障診斷等。采用三維可視化技術進行工程管理，數據驅動的模型動畫技術[8]。

3.3.6 能量調節與控制

依據液冷系統節能、降噪以及簡單穩定可靠為原則，并按照液冷系統的供液溫度控制在±2 ℃范圍內的需求進行系統能量調節和控制。控制方式按照工作模式分為常規液冷模式控制方式和壓縮機制冷模式控制方式。

在常規液冷模式下，壓縮機不工作，冷卻液與空氣在液冷換熱器中直接進行熱交換。控制過程如下：供液溫度傳感器將檢測到的實時供液溫度信號送入中央控制器PLC；中央控制器PLC將供液溫度信號與溫度設定值進行比較，并將比較的結果以（0～10）V信號的方式傳輸給風機；風機檢測到信號后立即調節到相對應的轉速，實現風量實時調節，把供液溫度控制在設定值范圍內[9-10]。

在壓縮機制冷模式下，分初始開機模式和運行模式。液冷系統初始開機時，制冷模塊啟停個數由不同環境溫度下的制冷量決定。當環境溫度在 10 ℃～40 ℃，只依次開啟4個制冷模塊。如果其中制冷模塊出現故障或 4個制冷模塊不能滿足供液溫度要求時，依次根據需要開啟第5、第6個制冷模塊。當環境溫度在40 ℃～50 ℃，依次開啟5個制冷模塊。如果其中制冷模塊出現故障或5個制冷模塊不能滿足供液溫度要求時，依次根據需要開啟第6個制冷模塊。

液冷系統進入運行模式，供液溫度傳感器自動檢測供液溫度，當檢測到供液溫度小于（T+2）℃時，制冷模塊處于待機狀態；當檢測到供液溫度不小于（T+2）℃時，依次開啟制冷模塊，制冷模塊開啟臺數由環境溫度決定，初始開啟載荷為25%；當壓縮機以 25%載荷開啟后，依據供液溫度設定值，控制器采用PID控制方式，對運行的制冷模塊進行同步調節。

4 結語

液冷系統是電子設備最重要的保障系統之一，隨著電子設備特別是新一代軍用電子裝備性能的不斷提高，熱設計面臨的問題越來越嚴峻。該液冷系統根據車載電子設備發射器件需求確定的技術參數進行總體方案分析和設計，液冷系統在設備模塊化設計和總體布置方面可以給同等制冷量的液冷系統提供設計參考；在抗低溫電氣控制、中控冗余和熱備份方面設計滿足環境適應性和可靠性要求，可推廣用于國防電子裝備的液冷系統，取代昂貴的進口產品。

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