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    冷卻系統及系統設計

    發布時間:2018-09-29 瀏覽:753次

    1. 冷卻系統及系統設計

      1)液冷系統

      液冷系統主要用于空間飛行器熱控系統、雷達、IGBT等電力電子設備冷卻,是電子設備熱管理通常使用技術之一。隨著電子器件的小型化與集成化,電子設備的熱流密度越來越大,傳統的強制風冷方法已無法滿足電子設備的散熱要求,電子設備液冷冷卻可靠性高、技術成熟已成為冷卻技術的重要選項。

      液冷系統由泵組件、換熱裝置、貯液器負載設備等組成。如果貯液器與外界環境大氣相通,此系統則為開式液冷系統,貯液器內壓力高于外界環境大氣壓力,此系統則為閉式液冷系統。



    1液冷冷板系統


     

      泵組件由泵、過濾器和安全活門組成。泵按系統需要提供一定壓頭和流量的循環流體工質。過濾器位于泵的進口處,避免金屬屑或其它雜物損傷泵的葉輪或齒輪。安全活門為泵提供一定的保護作用,當泵出口壓力高于安全活門設定壓力時,安全活門打開,一部分流體旁路回流至儲液箱。安全活門打開壓力的設定值,應高于泵壓頭的1.2-1.3倍。

      使用空氣作熱沉的換熱裝置由一個板翅式換熱器和風機組成。風機驅動環境大氣在換熱器內和流體工質進行熱交換。

      負載設備是液冷系統的終端。電子設備、電子元件或電子模塊安裝在負載設備上,電子設備工作時的耗散熱,通過該設備傳遞給負載設備內流動的液冷工質,其結構形式以液冷冷板為主,亦有液冷機箱、機架、泵或冷壁等。

      液冷系統設計及系統各部件參數確定液冷系統設計應遵循以下原則:

    l 液冷循環泵的壓頭H應大于系統的流體阻力

    l 系統熱負荷為Q時,在確定了流體工質在負載的允許溫升?t之后,可測算出選用泵的流量質量G




     

    l  閉式液冷系統的最高工作壓力Pmax是由貯液器上部預設壓力Pset確定的。


    Pmax=H+Pset(此處省略了貯液罐至泵的管道流阻)


     當貯液罐為開式時,

    Pset=Ph(大氣壓力)

    l  換熱裝置

         換熱裝置換熱量應大于系統負荷,選用環境空氣作冷卻工質時,選用風扇的壓頭Hf應考慮空氣離開換熱器的排氣動壓。




    l  貯液罐

      閉式液冷系統貯液罐又稱為補償器,它除貯存液冷工質外的作用如下:

    ? 貯液體,當系統有微小洩漏時,不影響系統工作;

    ? 液冷工質受溫度影響熱脹冷縮,作為體積補償,不影響系統內的壓力;

    ? 系統開關及外界環境系統內液體產生的一種動壓沖擊,作用在系統的各附件上。有此貯液罐,會減緩此沖擊力,以免損壞附件,特別是系統內的冷板等。

    ? 維持系統內的高于環境大氣壓力,以免空氣進入液冷系統,影響系統內的冷板和換熱器的熱交換效果。

    l  典型液冷系統

    ? 禮炮號熱控系統



    禮炮號載人密封艙的主動熱控制系統


    ? 天空號



    3天空實驗室的冷卻回路

    ? 神舟號熱控系統

    ? 臨近空間飛艇液冷熱控系統




    4熱控環路系統流程平面示意圖


     

    2)空氣循環制冷系統

      空氣循環制冷系統重要應用是對飛機座艙進行空氣調節及飛機電子設備的散熱。它是飛行器環控系統的一個重要的子系統。同時,它也用于地面專用試驗設備及在-80℃以下的一些工藝過程:鋼的快速淬火,橡膠制品的粉碎及毛邊加工;天然氣回收;水果、蔬菜、肉產品的快速冷凍等。

      空氣循環制冷,以空氣作為工質。它基于壓縮空氣的節流效應,使氣流加速,在膨脹機中絕熱膨脹并對外做功,從而獲得低溫氣流來制取冷量??諝庋h制冷易于獲得低溫、降溫性能可靠、制冷量易于調節、維護維修方便、環保且流程靈活。以飛機環控系統為例,空氣制冷循環針對不同的飛機座艙和電子設備散熱要求,組成不同流程制冷部件集成:簡單式、升壓式、逆升壓式、高壓除水升壓式等。同時,它還可以和液冷系統、蒸發循環制冷系統集成,組成電子設備和飛機座艙混合式冷卻系統。

    ? 簡單式空氣制冷循環

      系統的工作原理是:由飛機發動機壓氣機引出的高溫高壓氣流,首先在熱交換器2中用沖壓空氣冷卻降溫,獲得的中溫(一般為50~80℃)高壓氣流經調溫活門3后分成冷熱兩路,冷路氣流渦輪冷卻器再次降溫后與熱路空氣混合。改變調溫活門的開度可調節冷熱兩路氣流的比例,從而獲得適當溫度的氣流送入飛機座艙進行溫度調節,使用后的空氣經座艙壓力調節器排入大氣。此類系統的特征是,渦輪負載為軸流式或離心式風扇,可用于抽吸熱交換器2冷邊空氣,使低速飛行和地面停機時有足夠冷卻空氣,或者作為純負載,不利用渦輪膨脹功。因此系統比較簡單。





    圖5簡單式飛機空調系統原理




    ? 升壓式系統

      該系統中采用的不是渦輪風扇式冷卻器,而是渦輪壓縮機式冷卻器,又叫升壓式渦輪壓氣機組件,壓氣機回收并利用渦輪膨脹功。它與簡單式系統的區別僅在于冷路氣流在進入渦輪進行膨脹降溫前,先要經過由渦輪驅動的離心式壓縮機4進行增壓,并在中間熱交換器5中被沖壓空氣二次冷卻,以提高渦輪膨脹比,增加系統制冷量。目前西方國家的軍用和民用飛機上,廣泛采用升壓式系統。



    圖6升壓式飛機空調系統原理


    ? 高壓除水升壓式

      與簡單式和升壓式相比,高壓除水升壓式增加了回冷冷凍高壓除水回路。渦輪的負載是一個軸流風機,用來生產或加大一級熱交換器的冷卻氣流?;乩淅鋬龀芈分协h流氣流的動力是渦輪出口氣流引射泵。

      系統的工作過程是:由發動機壓氣機引來的高溫高壓氣流經壓力調節閥1后分為冷熱兩路。冷路氣流在一級熱交換器2中被沖壓空氣冷卻后進入回冷冷凝器,被從引射泵5后引來的低溫低壓環流空氣再次冷卻降溫,使高壓氣流中的水蒸氣大部分冷凝成水,經水分離器后進入渦輪膨脹降溫。在水分離器中得到的液態水送入一級熱交換器的冷卻氣流中蒸發吸熱,以提高一級熱交換器的吸熱量。渦輪出口處獲得的低溫氣流與經調溫閥來的熱路氣流混合后,一起作為工作介質進入氣體引射泵,帶動環流氣流并與之混合升溫后送入座艙,進行座艙空氣調節。用過的空氣經座艙壓力調節器排入大氣,完成循環。




    圖7 回冷高壓除水系統流程原理

    ? 逆升壓式空氣循環制冷系統

      英國GEC-Ferranti公司研制的熱成像/激光瞄準吊艙(TIALD)采用了獨立的沖壓空氣冷卻的環控系統,其系統原理如圖8所示。




    圖8 吊艙沖壓空氣逆升壓式冷卻系統

      沖壓空氣通過進氣道進入系統后,按系統工作方式的不同沿不同的途徑流動。當外界環境溫度較低時,系統以沖壓空氣方式工作,此時渦輪旁通閥打開,沖壓空氣不通過制冷渦輪而直接流向電子設備。在以這種方式工作時,吊艙內空氣壓力高于吊艙外部環境壓力,因此單向閥打開,沖壓空氣在吸收了設備的熱量后通過單向閥直接排出艙外。外界環境溫度較高時,系統以空氣循環方式工作,此時渦輪旁通閥關閉,由進氣道捕獲的沖壓空氣進入冷卻渦輪中膨脹降溫,渦輪出口的低溫空氣流入電子設備艙的冷板或散熱翅片,冷卻各種設備,帶走熱負荷的空氣再經過渦輪帶動的壓氣機增壓至適當值排出吊艙外。

    ? 用于坦克車的空氣循環制冷系統


    圖9用于坦克車的空氣循環制冷系統


     

    3)蒸發循環制冷系統

      蒸發循環制冷系統,在作用上它是一個熱泵,把低溫熱源的熱排放到高溫熱源中去。它的性能系數高、適應性大,所需冷量調節方便,由于其以上顯而易見的特點,所以它廣泛應用于軍、民及工業領域。飛行器、車輛、家用、工業廠房等空氣調節器。通常采用的蒸發循環制冷系統,除制冷功能外,同時可以為小的環境空間除濕和制熱。

      蒸發循環制冷系統,我們通常稱之為空調機。主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥組成。制冷劑蒸發在蒸發器吸收低溫熱源的熱量,并由制冷劑在冷凝器冷凝把此熱量釋放到高溫熱源。

    蒸發循環制冷系統和空氣循環制冷系統的復合應用:

    ?  例:美國F-22環控系統(圖10

     

     

     

     

     

     

    ?  蒸發制冷循環用于電子吊艙環控系統

      美國LANTIRN吊艙的環控系統采用了獨立的、能效比高的蒸氣循環冷卻系統(見圖11),以保證吊艙內各種設備可靠工作。該吊艙環控系統通過氟利昂R-114在蒸發器內蒸發吸熱來冷卻液體載冷劑(Coolanal25),再通過被冷卻的液體載冷劑去吸取吊艙內電子設備的熱載荷。

      冷凝器采用沖壓空氣作為冷源。當外界環境空氣溫度較低時,可控制壓縮機停機,旁路冷卻回路打開,載冷劑直接通過冷凝器/旁路熱交換器把熱載荷散到沖壓空氣中去。

      在吊艙飛行包線范圍內及地面工作時,吊艙熱載荷為0.2~3.3KW,要求將供給電子設備的載冷劑溫度控制在4~29℃的范圍內。




    11 LANTIRN吊艙蒸氣循環冷卻系統原理圖

     (注:環境溫度低時,就不用蒸發循環制冷系統,而直接用環境大氣作為熱沉,此刻用換熱器。)

    ?  汽車空調

    1)VDF精確冷卻系統

      V(Vaporizable )D(Dielectric)F( Fluid)精密冷卻系統,又稱之為機械泵驅動兩項流冷卻系統Two-PhaseMechanically Pumped Cooling(MPCL),其最早的研究與應用主要是針對空間飛行器主動熱控系統所要求的高熱流密度電子設備散熱。由于其優異的散熱能力、體積小、重量輕等特點,西方國家一些公司,已將其商業化,相繼推出一些應用于新能源、風電、大型計算中心、電力機車等領域電子設備、IGBT冷卻用產品。

    ?  VDF精密冷卻系統組成及工作原理

      VDF精密冷卻系統(Vaporizable Dielectric Fluid)是一種可蒸發的不導電流體,它是系統中液----汽兩相相變的流體工質。根據使用要求和習慣不同,有R134a、R113等系統組成如圖下所示:

      主要有:循環泵、負載冷板、換熱裝置、儲液-----液冷分離器等組成




     

      由循環泵驅動,通過軟管或導管進入冷板,并在冷板內吸收負載(例如IGBT)的熱,絕大部分變化汽體,此部分汽液混合工質進入汽——液分離儲液器內,液體儲存在了其下部,而汽體從汽液分離器的上部通過管道進入一個換熱裝置。該換熱裝置通常是由一個風機和換熱器構成,風機驅動環境空氣在換熱器內與汽態工質進行熱交換汽態工質的熱量傳給空氣,并由汽態轉為液態,液態工質回至儲存器。從而完成一個循環,并以此反復。循環泵為一齒輪泵。它驅動流體在一定的壓力條件下,進行系統循環。此壓力低于同溫環境大氣溫度條件下的工質蒸發壓力,以便工質在負載冷板內吸熱,由液體蒸發為汽體。流體工質在冷板內液體蒸發為汽體的量是浮動的:熱負荷大時,液體蒸發為汽體的量則大,反之則小,這是VDF系統的一個重要特性。

      冷板是VDF系統中的一個重要部件。電子設備、電子元件、電子模塊的耗散熱,通過冷板表面傳給流體工質。冷板材料通常為鋁合金或銅合金??梢詸C械加工成型,也可能釬焊。多個冷板共同工作,它們可以進行串連聯接,也可以并連。應根據每個冷板熱負荷的不同調節進入各冷板的流體工質流量。

      換熱裝置由一個換熱器和風扇組成。用環境空氣作為熱沉的流體工質的汽體在換熱器內與環境空氣進行熱交換,汽體變為液體,此液體再回到儲液器。換熱器結構型式多為扁平管翅片式。

    ?  VDF系統與液冷系統的對比分析

      已廣泛應用于電子設備冷卻的液體循環冷卻系統簡稱為液冷系統。它和VDF系統有著幾乎相同的系統組成和工作原理,它們有以下幾點不同。

    a. 冷板內的熱交換

    采用水—乙二醇水溶液作為流體工質的液冷系統,一般流速0.2~0.6M/S時,其在冷板內的放熱系數1500~4500w/m2.c,而一般工質的蒸發放熱系數是其1.5~2倍,在4000~8000 w/m2.c范圍〔2〕前者的熱阻約為0.0035,后者僅為0.008〔3〕。VDF系統冷板換熱更為充分。

    b. 采用可蒸發流體為工質的VDF系統,因為它的蒸發潛熱為(40℃環境溫度)。同樣的熱負荷、系統的流量更小,它約為液冷系統的1/4。所以各部件可以做得更小、更緊湊。

    c. VDF系統冷板內工質等溫蒸發它為等溫換熱,冷板上整體溫度場均勻,液冷系統,液體進出口有溫差,不利于電子設備散熱冷卻。

    d. 單相液冷回路與兩相VDF冷卻系統之比較,見下表:

    項     目

    單   相

    兩   相

    熱負荷(千瓦)

    91

    91

    流體回路質量(千克)

    5654

    4883

    工質質量(氨,千克)

    210

    18

    最大流率(千克/秒)

    3.8

    0.08

    泵功率(瓦)

    1680

    7.8

    等溫化質量代價(千克)

    341

    0

    表1 單相回路和兩相回路系統方案比較

      由上表可以看出,就所列之例,要達到相同的熱控散熱目標,比起單相液冷系統,泵驅動的兩相冷卻系統(Mpcls),其質量可減輕13%,工質最大流量減少至2%,功率可減少至0.5%,其優勢十分明顯。

      所以,這種最早研究與應用于空間飛行器熱控系統的成果,現開始商業產品化,應用于大功率、高熱流密度的電子設備冷卻系統。

    ?  市場及應用前景

      除空間飛行器熱控系統應用于兩相冷卻系統外,還可應用于以下領域:

    a. 新能源——風能、太陽能等

      風能、太陽能的利用是一個世界范圍內著力推廣與發展的一個巨大產業和市場,它是緣色能源?,F風電的電機逆變器及齒輪箱的冷卻使用的單相液冷,改用VDF兩相精密冷卻系統后,可以對風電的風動渦輪發電系統,包括變頻器、轉換器、電的傳輸等有很大的優勢。


    c. 工業用電

    大量的工業控制拒用IGBT的冷卻

    d. 大型數據處理中心

    e. 軍用電子設備冷卻

      從上述VDF系統應用場合及特點看,它是現在廣泛使用的液冷系統的一個產品的提升和替代。特別是它的高的可靠性、極長的壽命、體積小、重量輕、節能等特點,更適合對體積、重量和可靠性要求敏感的電動機車和軍工領域,所以該產品市場巨大。

     

    2.系統集成設計

      液冷系統、空氣循環制冷系統和蒸發循環制冷系統,它用于電子冷卻和環境控制,均系機電系統,它的系統集成,既有選用的各機械部件功能的配正,使系統完成既定功能;有根據系統的功能要求,以及和各機械部件的配正融合的電器控制部件。同時還有使上述各硬件按要求動作的軟件系統。系統的集成應考慮以下幾個問題:

    1)系統的需求分析

    ?  系統的功能分析

      任何系統的功能要求均是根據用戶的使用要求提出的,它應結合技術上的可行性,作出判斷與抉擇。

    ?  系統的性能指標分析

      性能指標是系統功能的定量說明,當系統功能決定后,每一項功能都能滿足一定的性能指標,這才具有實用價值,對于熱控、環控、機電系統,應對其制冷(散熱)能力、重量、尺寸、體積、功耗進行分析,制定科學完整性能指標要求的方式方法。

    ?  使用條件分析

      使用條件主要應考慮客觀的環境條件及主觀的操作人員素質。環境條件包括了溫度、濕度、振動、沖擊、噪音、電磁干擾等。使用還必須滿足可操作性、可維修性、安全可靠性等。系統還應有足夠的使用壽命。


      系統集成時,應對系統集成經濟性和運行經濟性進行分析,以滿足產品開發和用戶使用兩方面的要求。

    2)系統集成的原則與方法



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