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    冷却系统及系统设计

    发布时间:2018-09-29 浏览:1175次

    1. 冷却系统及系统设计

      1)液冷系统

      液冷系统主要用于空间飞行器热控系统、雷达、IGBT等电力电子设备冷却,是电子设备热管理通常使用技术之一。随着电子器件的小型化与集成化,电子设备的热流密度越来越大,传统的强制风冷方法已无法满足电子设备的散热要求,电子设备液冷冷却可靠性高、技术成熟已成为冷却技术的重要选项。

      液冷系统由泵组件、换热装置、贮液器负载设备等组成。如果贮液器与外界环境大气相通,此系统则为开式液冷系统,贮液器内压力高于外界环境大气压力,此系统则为闭式液冷系统。



    1液冷冷板系统


     

      泵组件由泵、过滤器和安全活门组成。泵按系统需要提供一定压头和流量的循环流体工质。过滤器位于泵的进口处,避免金属屑或其它杂物损伤泵的叶轮或齿轮。安全活门为泵提供一定的保护作用,当泵出口压力高于安全活门设定压力时,安全活门打开,一部分流体旁路回流至储液箱。安全活门打开压力的设定值,应高于泵压头的1.2-1.3倍。

      使用空气作热沉的换热装置由一个板翅式换热器和风机组成。风机驱动环境大气在换热器内和流体工质进行热交换。

      负载设备是液冷系统的终端。电子设备、电子元件或电子模块安装在负载设备上,电子设备工作时的耗散热,通过该设备传递给负载设备内流动的液冷工质,其结构形式以液冷冷板为主,亦有液冷机箱、机架、泵或冷壁等。

      液冷系统设计及系统各部件参数确定液冷系统设计应遵循以下原则:

    l 液冷循环泵的压头H应大于系统的流体阻力

    l 系统热负荷为Q时,在确定了流体工质在负载的允许温升t之后,可测算出选用泵的流量质量G




     

    l  闭式液冷系统的最高工作压力Pmax是由贮液器上部预设压力Pset确定的。


    Pmax=H+Pset(此处省略了贮液罐至泵的管道流阻)


     当贮液罐为开式时,

    Pset=Ph(大气压力)

    l  换热装置

         换热装置换热量应大于系统负荷,选用环境空气作冷却工质时,选用风扇的压头Hf应考虑空气离开换热器的排气动压。




    l  贮液罐

      闭式液冷系统贮液罐又称为补偿器,它除贮存液冷工质外的作用如下:

    Ø 贮液体,当系统有微小洩漏时,不影响系统工作;

    Ø 液冷工质受温度影响热胀冷缩,作为体积补偿,不影响系统内的压力;

    Ø 系统开关及外界环境系统内液体产生的一种动压冲击,作用在系统的各附件上。有此贮液罐,会减缓此冲击力,以免损坏附件,特别是系统内的冷板等。

    Ø 维持系统内的高于环境大气压力,以免空气进入液冷系统,影响系统内的冷板和换热器的热交换效果。

    l  典型液冷系统

    Ø 礼炮号热控系统



    礼炮号载人密封舱的主动热控制系统


    Ø 天空号



    3天空实验室的冷却回路

    Ø 神舟号热控系统

    Ø 临近空间飞艇液冷热控系统




    4热控环路系统流程平面示意图


     

    2)空气循环制冷系统

      空气循环制冷系统重要应用是对飞机座舱进行空气调节及飞机电子设备的散热。它是飞行器环控系统的一个重要的子系统。同时,它也用于地面专用试验设备及在-80℃以下的一些工艺过程:钢的快速淬火,橡胶制品的粉碎及毛边加工;天然气回收;水果、蔬菜、肉产品的快速冷冻等。

      空气循环制冷,以空气作为工质。它基于压缩空气的节流效应,使气流加速,在膨胀机中绝热膨胀并对外做功,从而获得低温气流来制取冷量。空气循环制冷易于获得低温、降温性能可靠、制冷量易于调节、维护维修方便、环保且流程灵活。以飞机环控系统为例,空气制冷循环针对不同的飞机座舱和电子设备散热要求,组成不同流程制冷部件集成:简单式、升压式、逆升压式、高压除水升压式等。同时,它还可以和液冷系统、蒸发循环制冷系统集成,组成电子设备和飞机座舱混合式冷却系统。

    Ø 简单式空气制冷循环

      系统的工作原理是:由飞机发动机压气机引出的高温高压气流,首先在热交换器2中用冲压空气冷却降温,获得的中温(一般为50~80℃)高压气流经调温活门3后分成冷热两路,冷路气流涡轮冷却器再次降温后与热路空气混合。改变调温活门的开度可调节冷热两路气流的比例,从而获得适当温度的气流送入飞机座舱进行温度调节,使用后的空气经座舱压力调节器排入大气。此类系统的特征是,涡轮负载为轴流式或离心式风扇,可用于抽吸热交换器2冷边空气,使低速飞行和地面停机时有足够冷却空气,或者作为纯负载,不利用涡轮膨胀功。因此系统比较简单。





    图5简单式飞机空调系统原理




    Ø 升压式系统

      该系统中采用的不是涡轮风扇式冷却器,而是涡轮压缩机式冷却器,又叫升压式涡轮压气机组件,压气机回收并利用涡轮膨胀功。它与简单式系统的区别仅在于冷路气流在进入涡轮进行膨胀降温前,先要经过由涡轮驱动的离心式压缩机4进行增压,并在中间热交换器5中被冲压空气二次冷却,以提高涡轮膨胀比,增加系统制冷量。目前西方国家的军用和民用飞机上,广泛采用升压式系统。



    图6升压式飞机空调系统原理


    Ø 高压除水升压式

      与简单式和升压式相比,高压除水升压式增加了回冷冷冻高压除水回路。涡轮的负载是一个轴流风机,用来生产或加大一级热交换器的冷却气流。回冷冷冻除水回路中环流气流的动力是涡轮出口气流引射泵。

      系统的工作过程是:由发动机压气机引来的高温高压气流经压力调节阀1后分为冷热两路。冷路气流在一级热交换器2中被冲压空气冷却后进入回冷冷凝器,被从引射泵5后引来的低温低压环流空气再次冷却降温,使高压气流中的水蒸气大部分冷凝成水,经水分离器后进入涡轮膨胀降温。在水分离器中得到的液态水送入一级热交换器的冷却气流中蒸发吸热,以提高一级热交换器的吸热量。涡轮出口处获得的低温气流与经调温阀来的热路气流混合后,一起作为工作介质进入气体引射泵,带动环流气流并与之混合升温后送入座舱,进行座舱空气调节。用过的空气经座舱压力调节器排入大气,完成循环。




    图7 回冷高压除水系统流程原理

    Ø 逆升压式空气循环制冷系统

      英国GEC-Ferranti公司研制的热成像/激光瞄准吊舱(TIALD)采用了独立的冲压空气冷却的环控系统,其系统原理如图8所示。




    图8 吊舱冲压空气逆升压式冷却系统

      冲压空气通过进气道进入系统后,按系统工作方式的不同沿不同的途径流动。当外界环境温度较低时,系统以冲压空气方式工作,此时涡轮旁通阀打开,冲压空气不通过制冷涡轮而直接流向电子设备。在以这种方式工作时,吊舱内空气压力高于吊舱外部环境压力,因此单向阀打开,冲压空气在吸收了设备的热量后通过单向阀直接排出舱外。外界环境温度较高时,系统以空气循环方式工作,此时涡轮旁通阀关闭,由进气道捕获的冲压空气进入冷却涡轮中膨胀降温,涡轮出口的低温空气流入电子设备舱的冷板或散热翅片,冷却各种设备,带走热负荷的空气再经过涡轮带动的压气机增压至适当值排出吊舱外。

    Ø 用于坦克车的空气循环制冷系统


    图9用于坦克车的空气循环制冷系统


     

    3)蒸发循环制冷系统

      蒸发循环制冷系统,在作用上它是一个热泵,把低温热源的热排放到高温热源中去。它的性能系数高、适应性大,所需冷量调节方便,由于其以上显而易见的特点,所以它广泛应用于军、民及工业领域。飞行器、车辆、家用、工业厂房等空气调节器。通常采用的蒸发循环制冷系统,除制冷功能外,同时可以为小的环境空间除湿和制热。

      蒸发循环制冷系统,我们通常称之为空调机。主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀组成。制冷剂蒸发在蒸发器吸收低温热源的热量,并由制冷剂在冷凝器冷凝把此热量释放到高温热源。

    蒸发循环制冷系统和空气循环制冷系统的复合应用:

    Ÿ  例:美国F-22环控系统(图10

     

     

     

     

     

     

    Ÿ  蒸发制冷循环用于电子吊舱环控系统

      美国LANTIRN吊舱的环控系统采用了独立的、能效比高的蒸气循环冷却系统(见图11),以保证吊舱内各种设备可靠工作。该吊舱环控系统通过氟利昂R-114在蒸发器内蒸发吸热来冷却液体载冷剂(Coolanal25),再通过被冷却的液体载冷剂去吸取吊舱内电子设备的热载荷。

      冷凝器采用冲压空气作为冷源。当外界环境空气温度较低时,可控制压缩机停机,旁路冷却回路打开,载冷剂直接通过冷凝器/旁路热交换器把热载荷散到冲压空气中去。

      在吊舱飞行包线范围内及地面工作时,吊舱热载荷为0.2~3.3KW,要求将供给电子设备的载冷剂温度控制在4~29℃的范围内。




    11 LANTIRN吊舱蒸气循环冷却系统原理图

     (注:环境温度低时,就不用蒸发循环制冷系统,而直接用环境大气作为热沉,此刻用换热器。)

    Ÿ  汽车空调

    1)VDF精确冷却系统

      V(Vaporizable )D(Dielectric)F( Fluid)精密冷却系统,又称之为机械泵驱动两项流冷却系统Two-PhaseMechanically Pumped Cooling(MPCL),其最早的研究与应用主要是针对空间飞行器主动热控系统所要求的高热流密度电子设备散热。由于其优异的散热能力、体积小、重量轻等特点,西方国家一些公司,已将其商业化,相继推出一些应用于新能源、风电、大型计算中心、电力机车等领域电子设备、IGBT冷却用产品。

    Ø  VDF精密冷却系统组成及工作原理

      VDF精密冷却系统(Vaporizable Dielectric Fluid)是一种可蒸发的不导电流体,它是系统中液----汽两相相变的流体工质。根据使用要求和习惯不同,有R134a、R113等系统组成如图下所示:

      主要有:循环泵、负载冷板、换热装置、储液-----液冷分离器等组成




     

      由循环泵驱动,通过软管或导管进入冷板,并在冷板内吸收负载(例如IGBT)的热,绝大部分变化汽体,此部分汽液混合工质进入汽——液分离储液器内,液体储存在了其下部,而汽体从汽液分离器的上部通过管道进入一个换热装置。该换热装置通常是由一个风机和换热器构成,风机驱动环境空气在换热器内与汽态工质进行热交换汽态工质的热量传给空气,并由汽态转为液态,液态工质回至储存器。从而完成一个循环,并以此反复。循环泵为一齿轮泵。它驱动流体在一定的压力条件下,进行系统循环。此压力低于同温环境大气温度条件下的工质蒸发压力,以便工质在负载冷板内吸热,由液体蒸发为汽体。流体工质在冷板内液体蒸发为汽体的量是浮动的:热负荷大时,液体蒸发为汽体的量则大,反之则小,这是VDF系统的一个重要特性。

      冷板是VDF系统中的一个重要部件。电子设备、电子元件、电子模块的耗散热,通过冷板表面传给流体工质。冷板材料通常为铝合金或铜合金。可以机械加工成型,也可能钎焊。多个冷板共同工作,它们可以进行串连联接,也可以并连。应根据每个冷板热负荷的不同调节进入各冷板的流体工质流量。

      换热装置由一个换热器和风扇组成。用环境空气作为热沉的流体工质的汽体在换热器内与环境空气进行热交换,汽体变为液体,此液体再回到储液器。换热器结构型式多为扁平管翅片式。

    Ø  VDF系统与液冷系统的对比分析

      已广泛应用于电子设备冷却的液体循环冷却系统简称为液冷系统。它和VDF系统有着几乎相同的系统组成和工作原理,它们有以下几点不同。

    a. 冷板内的热交换

    采用水—乙二醇水溶液作为流体工质的液冷系统,一般流速0.2~0.6M/S时,其在冷板内的放热系数1500~4500w/m2.c,而一般工质的蒸发放热系数是其1.5~2倍,在4000~8000 w/m2.c范围〔2〕前者的热阻约为0.0035,后者仅为0.008〔3〕。VDF系统冷板换热更为充分。

    b. 采用可蒸发流体为工质的VDF系统,因为它的蒸发潜热为(40℃环境温度)。同样的热负荷、系统的流量更小,它约为液冷系统的1/4。所以各部件可以做得更小、更紧凑。

    c. VDF系统冷板内工质等温蒸发它为等温换热,冷板上整体温度场均匀,液冷系统,液体进出口有温差,不利于电子设备散热冷却。

    d. 单相液冷回路与两相VDF冷却系统之比较,见下表:

    项     目

    单   相

    两   相

    热负荷(千瓦)

    91

    91

    流体回路质量(千克)

    5654

    4883

    工质质量(氨,千克)

    210

    18

    最大流率(千克/秒)

    3.8

    0.08

    泵功率(瓦)

    1680

    7.8

    等温化质量代价(千克)

    341

    0

    表1 单相回路和两相回路系统方案比较

      由上表可以看出,就所列之例,要达到相同的热控散热目标,比起单相液冷系统,泵驱动的两相冷却系统(Mpcls),其质量可减轻13%,工质最大流量减少至2%,功率可减少至0.5%,其优势十分明显。

      所以,这种最早研究与应用于空间飞行器热控系统的成果,现开始商业产品化,应用于大功率、高热流密度的电子设备冷却系统。

    Ø  市场及应用前景

      除空间飞行器热控系统应用于两相冷却系统外,还可应用于以下领域:

    a. 新能源——风能、太阳能等

      风能、太阳能的利用是一个世界范围内着力推广与发展的一个巨大产业和市场,它是缘色能源。现风电的电机逆变器及齿轮箱的冷却使用的单相液冷,改用VDF两相精密冷却系统后,可以对风电的风动涡轮发电系统,包括变频器、转换器、电的传输等有很大的优势。


    c. 工业用电

    大量的工业控制拒用IGBT的冷却

    d. 大型数据处理中心

    e. 军用电子设备冷却

      从上述VDF系统应用场合及特点看,它是现在广泛使用的液冷系统的一个产品的提升和替代。特别是它的高的可靠性、极长的寿命、体积小、重量轻、节能等特点,更适合对体积、重量和可靠性要求敏感的电动机车和军工领域,所以该产品市场巨大。

     

    2.系统集成设计

      液冷系统、空气循环制冷系统和蒸发循环制冷系统,它用于电子冷却和环境控制,均系机电系统,它的系统集成,既有选用的各机械部件功能的配正,使系统完成既定功能;有根据系统的功能要求,以及和各机械部件的配正融合的电器控制部件。同时还有使上述各硬件按要求动作的软件系统。系统的集成应考虑以下几个问题:

    1)系统的需求分析

    Ø  系统的功能分析

      任何系统的功能要求均是根据用户的使用要求提出的,它应结合技术上的可行性,作出判断与抉择。

    Ø  系统的性能指标分析

      性能指标是系统功能的定量说明,当系统功能决定后,每一项功能都能满足一定的性能指标,这才具有实用价值,对于热控、环控、机电系统,应对其制冷(散热)能力、重量、尺寸、体积、功耗进行分析,制定科学完整性能指标要求的方式方法。

    Ø  使用条件分析

      使用条件主要应考虑客观的环境条件及主观的操作人员素质。环境条件包括了温度、湿度、振动、冲击、噪音、电磁干扰等。使用还必须满足可操作性、可维修性、安全可靠性等。系统还应有足够的使用寿命。


      系统集成时,应对系统集成经济性和运行经济性进行分析,以满足产品开发和用户使用两方面的要求。

    2)系统集成的原则与方法



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