密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高興奎

(煙臺大學(xué)海洋學(xué)院，山東 煙臺 264005)

隨著我國科技化進(jìn)程的加快，電子以及控制領(lǐng)域的飛速發(fā)展對電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境[1]提出了更高要求，密閉式電子機(jī)柜就是其中之一。密閉式電子機(jī)柜中的電路及精密電子元件在工作時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量若不能及時(shí)有效排出，會導(dǎo)致電路板及元器件表面溫度過高，影響電器設(shè)備穩(wěn)定性和精度，甚至?xí)?dǎo)致電路燒毀[2-4]。由于目前電子元器件具備微型化、高密集度和高集成性的特點(diǎn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)較緊密，因此對設(shè)備的熱環(huán)境要求越發(fā)嚴(yán)格。為滿足密閉式電子機(jī)柜的散熱需求，電子機(jī)柜空調(diào)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[5]。

雖然我國電子機(jī)柜空調(diào)機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展落后于歐美發(fā)達(dá)國家，但也研發(fā)出了一系列有特色的電子機(jī)柜專用空調(diào)系統(tǒng)，如同濟(jì)大學(xué)的周志仁等[6]設(shè)計(jì)了優(yōu)化柜內(nèi)空調(diào)配置的終端POP(point of production)機(jī)柜空調(diào)控制系統(tǒng)，對比分析機(jī)柜內(nèi)環(huán)境要求與地區(qū)氣象條件，配置機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，首次提出機(jī)柜空調(diào)的雙工況運(yùn)營模式，有效降低了能耗；汪銘東等[7]設(shè)計(jì)了基于C8051單片機(jī)的軍事電子機(jī)柜溫度控制系統(tǒng)，利用核心控制芯片C8051，將溫度傳感器采集到的溫度信息傳遞給控制器，實(shí)現(xiàn)溫度自動控制。本文結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)密閉式電子機(jī)柜溫度控制，設(shè)計(jì)了密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)，有效確保了密閉式電子機(jī)柜工作可靠性及穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝回?zé)崞鳌㈦娂訜崞鞯炔糠纸M成，如圖1所示。

圖1 專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)密閉式電子機(jī)柜內(nèi)部溫度超出系統(tǒng)設(shè)置溫度時(shí)，壓縮機(jī)開始制冷工作，將蒸發(fā)器吸收的熱量轉(zhuǎn)化成低溫、低壓的氣態(tài)制冷劑，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮處理后排入冷凝器。冷凝器在風(fēng)機(jī)作用下通過散熱器向周圍散熱，冷凝成高溫、高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降溫、降壓后，形成的低溫、低壓液態(tài)和氣態(tài)混合物經(jīng)蒸發(fā)器作用后被汽化。汽化后的制冷劑蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)作用下吸收電子機(jī)柜中熱量，達(dá)到降溫制冷目的，同時(shí)析出冷凝水[8]。壓縮機(jī)將蒸發(fā)器通過吸收熱量轉(zhuǎn)變的低溫、低壓的氣態(tài)制冷劑吸入后，繼續(xù)實(shí)施壓縮，便實(shí)現(xiàn)了一次循環(huán)制冷。通過該過程的不斷循環(huán)，完成密閉式電子機(jī)柜內(nèi)部降溫控制。由于系統(tǒng)析出冷凝水排到機(jī)柜外會使周圍產(chǎn)生大量的水，影響設(shè)備安全，為此在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)冷凝水蒸發(fā)器以收集冷凝水，并利用電加熱器將其蒸發(fā)到空氣中，有效解決冷凝水析出問題[9]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1溫度采集模塊

系統(tǒng)溫度采集包括電子機(jī)柜內(nèi)部溫度采集和制冷溫度的采集。為此，溫度采集模塊設(shè)計(jì)了兩個溫度傳感器，一個置于電子機(jī)柜回風(fēng)口，采集機(jī)柜內(nèi)部溫度，另一個置于電子機(jī)柜空調(diào)盤管處，采集系統(tǒng)制冷溫度。對比采集溫度和系統(tǒng)設(shè)置溫度，可作為系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障的判斷依據(jù)[10]。

選擇由美國半導(dǎo)體DALLAS公司生產(chǎn)的型號為SD18B20的數(shù)字化總線型智能溫度傳感器,該傳感器具有體積小、線路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、溫度測量精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，SD18B20傳感器利用單總線協(xié)議，不用與其他元件相連接，只利用一個I/O端口與單片機(jī)接口相接,便可將溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號提供給系統(tǒng)處理器，實(shí)現(xiàn)溫度采集[11-12]。

SD18B20傳感器有寄生電源供電和外部電源供電兩種方式。其中寄生電源供電是通過DQ端給器件供電，具備可不使用本地電源的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間供電缺失，且多點(diǎn)測溫時(shí)溫度轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)性較差。由于密閉式電子機(jī)柜與系統(tǒng)距離較近，因此該模塊選擇外接電源方式，利用電源電壓(voltage drain drain,VDD)引腳對SD18B20傳感器進(jìn)行供電，提升溫度轉(zhuǎn)換精度[13]。溫度采集模塊電路圖如圖2所示。

1.2.2控制執(zhí)行模塊

系統(tǒng)的控制執(zhí)行模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)制冷輸出功能，依據(jù)溫度采集模塊采集到的溫度數(shù)值，控制系統(tǒng)執(zhí)行對應(yīng)操作，決定是否啟動壓縮機(jī)。控制執(zhí)行模塊電路圖如圖3所示。

圖2 溫度采集模塊電路圖

圖3 控制執(zhí)行模塊

經(jīng)Q8050放大后的信號指令由R13端傳送給繼電器K1，控制執(zhí)行指令。通過JP5的2，3腳交替與1腳電源輸入端線連接，控制壓縮機(jī)開關(guān)。K1動作的指示燈為DS2，開關(guān)S3啟動時(shí)空調(diào)處于停止工作狀態(tài)。

1.2.3通信模塊

采用uIP協(xié)議棧設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信模塊網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，利用局域網(wǎng)范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)客戶端(電腦)登錄網(wǎng)頁IP地址，完成空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)相關(guān)信息查詢以及溫度范圍設(shè)定、相關(guān)參數(shù)修改，同時(shí)完成系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通信模塊遠(yuǎn)程管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 通信模塊遠(yuǎn)程管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖

一個區(qū)域內(nèi)有許多電子機(jī)柜處于工作狀態(tài)，每臺電子機(jī)柜具備一個固定且唯一的IP地址，以太網(wǎng)交換器會將一定區(qū)域內(nèi)所有電子機(jī)柜的主要相關(guān)信息傳輸至監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)客戶端。利用監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)客戶端登錄不同的IP地址，便可遠(yuǎn)程監(jiān)控不同的電子機(jī)柜運(yùn)行狀況[14]。

1.3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

基于MDK5.14版的KeilμVision5IDE集成開發(fā)平臺的Windows環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，遵循模塊化設(shè)計(jì)思想分別編寫功能模塊子程序，最后編寫主程序，主程序通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各模塊功能，完成系統(tǒng)溫度控制。該方式便于軟件糾錯和后期各程序調(diào)試改善。系統(tǒng)軟件總體流程框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程框圖

系統(tǒng)軟件總體流程如下：系統(tǒng)開始運(yùn)行，默認(rèn)上次設(shè)定的溫度為系統(tǒng)制冷啟動溫度。系統(tǒng)運(yùn)行后，首先對系統(tǒng)相關(guān)元器件進(jìn)行檢查，查看是否存在故障。自檢無故障后，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，如電子機(jī)柜溫度、系統(tǒng)實(shí)時(shí)制冷溫度、門位開關(guān)閉合狀態(tài)數(shù)據(jù)、上下浮子開關(guān)閉合狀態(tài)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)采集完成后，向主板處理器傳輸采集到的數(shù)據(jù)，展開與系統(tǒng)設(shè)定溫度值的邏輯運(yùn)算，若超過系統(tǒng)設(shè)定值標(biāo)準(zhǔn)，對密閉式電子機(jī)柜實(shí)施降溫。冷凝水蒸發(fā)器工作原理是利用電加熱器對冷凝水進(jìn)行蒸發(fā)處理，系統(tǒng)根據(jù)上下浮子開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)控制冷凝水蒸發(fā)器是否工作，并繼續(xù)對電子機(jī)柜內(nèi)部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，此時(shí)完成一次系統(tǒng)循環(huán)制冷[15]。

2 系統(tǒng)測試

2.1 程序調(diào)試

為保障系統(tǒng)測試安全，避免產(chǎn)生安全事故，在系統(tǒng)測試之前需利用印制電路板(printed circuit board，PCB)檢查電路元件焊接情況，利用萬能電表檢查電源是否存在短路，檢查通過后通電，對電源工作情況、芯片發(fā)熱情況進(jìn)行檢查，檢查通過后，測試電源測試值與理論值差異是否在安全范圍內(nèi)及電路板引腳間是否存在短路情況，安全檢測完成后，進(jìn)行系統(tǒng)測試。

2.2 系統(tǒng)測試

基于節(jié)省成本考慮，為便于系統(tǒng)測試，制作小型電路板，并利用導(dǎo)線將電子機(jī)柜溫度輸入電阻、制冷溫度輸入電阻、上下浮子開關(guān)按鈕、門位開關(guān)按鈕等與電路板對應(yīng)接口相連，通過改變電子機(jī)柜溫度和制冷溫度以及門位、上下浮子開關(guān)驗(yàn)證系統(tǒng)性能。系統(tǒng)測試的實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試的實(shí)物圖

通過改變模擬負(fù)載箱負(fù)荷對零負(fù)載、半負(fù)載以及全負(fù)載3種情況下的系統(tǒng)性能展開模擬試驗(yàn)。

系統(tǒng)吸氣、排氣壓力變化情況如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)壓力變化情況

分析圖7數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)壓力變化較為平穩(wěn)，相同負(fù)載下，壓力變化沒有產(chǎn)生較大波動，隨著負(fù)載的增加，排氣壓力呈增大趨勢。

系統(tǒng)供風(fēng)溫度、相對濕度變化情況如圖8所示。

圖8 溫度、相對濕度變化情況

分析圖8數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在3種不同負(fù)載情況下運(yùn)行時(shí)，供風(fēng)溫度和相對濕度變化均在《密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

系統(tǒng)壓縮機(jī)以及回?zé)崃客度肭闆r見表1。可調(diào)電加熱輸出比變化、回風(fēng)溫度變化情況如圖9所示。

表1 系統(tǒng)壓縮機(jī)以及回?zé)崃客度肭闆r

圖9 可調(diào)電加熱輸出比變化、回風(fēng)溫度變化情況

分析圖9可知，系統(tǒng)在3種不同負(fù)載情況下運(yùn)行時(shí)，可調(diào)電加熱均可以適應(yīng)不同負(fù)載的調(diào)節(jié)需求，隨著系統(tǒng)負(fù)載增加，系統(tǒng)回風(fēng)溫度呈增大趨勢。表明系統(tǒng)設(shè)置的控溫措施可以有效發(fā)揮作用，可良好實(shí)現(xiàn)密閉式電子機(jī)柜制冷需求。

由于密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組應(yīng)用環(huán)境的特殊性，空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)的部件均采用可靠性較高工藝，這樣才能確保專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性。表2為本文系統(tǒng)的部分選用配件與普通民用空調(diào)所用部件對比結(jié)果。

表2 本文系統(tǒng)部分選用配件和普通民用空調(diào)配件比較

根據(jù)表2，本文系統(tǒng)的節(jié)流部件采用熱力膨脹閥，可以依據(jù)實(shí)際的熱負(fù)荷情況對系統(tǒng)的壓力和制冷劑流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，完成空調(diào)機(jī)組的整體配置，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組長期、高效運(yùn)行，在提升本文系統(tǒng)無故障運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上，增加系統(tǒng)壽命。普通民用空調(diào)僅采用毛細(xì)管節(jié)流，不能有效控制制冷劑流量和壓力，系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)效果較差。本文系統(tǒng)采用微電腦進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)制冷控制，可以為密閉式電子機(jī)柜提供可保障系統(tǒng)恒溫、恒濕的運(yùn)行環(huán)境。微電腦還可自動監(jiān)測、診斷系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對已經(jīng)出現(xiàn)和將要產(chǎn)生的故障，利用系統(tǒng)自身具備的完善的報(bào)警功能，為系統(tǒng)安全運(yùn)行和故障的及時(shí)、有效排除提供保障。普通民用空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單且不具備報(bào)警功能。因此本文系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。

由于密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)是憑借制冷劑為換熱介質(zhì)，因此系統(tǒng)性能會受到諸多因素影響。為此基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment，DOE)方法設(shè)計(jì)分析工況，采用拉丁超立方抽樣方法(Latin hypercube sampling,LHS)研究各種因素影響下的系統(tǒng)制冷性能，系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、蒸發(fā)器風(fēng)溫和風(fēng)速、環(huán)境相對濕度、冷凝器風(fēng)溫和風(fēng)速等對系統(tǒng)制冷量、制熱能效比(coefficient of performance，COP)和排氣壓力的影響程度見表3。

分析表3 數(shù)據(jù)可知，通過改變冷凝器的風(fēng)溫和風(fēng)速提升系統(tǒng)制冷量的效果不明顯；系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對于系統(tǒng)COP的影響最大，冷凝器風(fēng)溫對其影響次之，且二者與COP呈負(fù)相關(guān)，因此可通過調(diào)整冷凝器風(fēng)溫提升系統(tǒng)COP；冷凝器風(fēng)溫對于系統(tǒng)排氣壓力影響最大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速影響次之，且二者均呈正相關(guān)。其中僅有冷凝器風(fēng)速與其呈負(fù)相關(guān)，因此可通過提升冷凝器風(fēng)速降低系統(tǒng)排氣壓力。

表3 各因素對系統(tǒng)制冷量、 COP、排氣壓力影響程度

3 結(jié)束語

為解決密閉式電子機(jī)柜內(nèi)部溫度過高引發(fā)的安全問題，本文設(shè)計(jì)了一種密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)循環(huán)制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可精準(zhǔn)監(jiān)控機(jī)柜內(nèi)部溫度變化并及時(shí)采取措施進(jìn)行降溫，確保其散熱需求。試驗(yàn)中模擬了不同負(fù)載條件下系統(tǒng)運(yùn)行情況，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行較為平穩(wěn)，可滿足機(jī)柜使用規(guī)范；與普通民用空調(diào)系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)具備溫度控制精準(zhǔn)度、運(yùn)行可靠性和安全性高的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對密閉式電子機(jī)柜具有一定的推廣價(jià)值。