马红星，钟根仔

（1.海装驻合肥地区军事代表室，合肥 230088，2.合肥通用机械研究院研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

车载特种冷却装置主要应用于车载雷达天线阵面中电子设备的冷却，需要全年制冷，具有使用环境温度宽、适应车载运输振动等特点。目前市场上风冷机房冷却机组的在功能方面与车载特种冷却装置类似，但风冷机房冷却机组无法替代车载特种冷却装置，主要原因如下：

（1）风冷机房冷却机组其只适用于静止状态下使用，无法适用在车载状态下使用；

（2）风冷机房冷却机组无法适用车载雷达高低温、湿热等苛刻的环境要求；

（3）在低温环境下运行时，风冷机房冷却机组容易出现启动困难、低压保护、系统压差保护和压缩机回油不良等现象［1］。

因此必须依据车载雷达天线阵面冷却的特殊要求，对车载特种冷却装置进行特殊设计。相关工程技术人员对车载特种冷却装置相关技术进行了研究［2-11］。本文以某型车载雷达天线阵面冷却用车载特种冷却装置为例，对车载特种冷却装置（以下简称“冷却装置”）设计相关要点进行分析和探讨。

1 使用环境条件及其分析

冷却装置的主要设计环境条件如下：

（1）高温时工作条件为环境温度50 ℃，承受条件为65 ℃；

（2）低温时工作条件为环境温度-40 ℃，承受条件为-45 ℃；

（3）湿热时工作条件温度为35 ℃，相对湿度93%；承受条件为温度40 ℃，相对湿度93%；

（4）淋雨时工作条件为瞬时降雨速率0.8 mm/min，承受条件为降雨速率为2.5 mm/min；

（5）针对风速要求，工作条件为最大稳定风速20 m/s，承受条件为最大稳定风速30 m/s。

从上述可知，冷却装置具有使用环境温度范围宽、要适应湿热、淋雨以及风速指标高等特点。

1.1 高低温指标对冷却装置的影响

高低温环境对冷却装置的功能和性能影响较大，是冷却装置原理流程设计、性能计算以及零部件选型设计的主要指标。在原理流程上，既要保证冷却装置能够适应高低温环境，而且还要充分利用低温环境。由于在低温环境下压缩机启动工作所需的配置和程序比较复杂，原理流程要规避在低温环境下压缩机启动工作，利用低温环境直接散热。在性能计算方面，主要考虑高温方面冷凝器、蒸发器和压缩机工况等设计方面，冷却装置的设计工况不能超过压缩机运行的工况。零部件选型设计方面，主要考虑零部件或元器件的高低温适应特性。冷却装置是否满足在高低温环境条件下的使用要求，要通过高低温工作试验和高低温贮存试验进行试验验证。

1.2 湿热指标对冷却装置的影响

冷却装置湿热指标主要是考察冷却装置在高温高湿下的可靠性。湿热主要有以下几方面影响。

（1）湿热环境容易使设备表面产生凝露。冷却装置主要是为服务对象提供冷却液，高温高湿环境易导致冷水管系、冷板等表面凝露。为了避免凝露，冷却装置需要对环境的温湿度或露点温度进行检测，通过程序控制冷却装置的供液温度大于露点温度。

（2）湿热会影响设备的机械特性。湿气侵入材料表面，使材料表面产生肿胀、变形等，导致活动部件活动阻力增加甚至卡死。

（3）在电气性能方面，高温潮湿会导致电子元器件触点接触不良、电气短路以及绝缘性能降低等。

冷却装置元器件等零部件选型设计是否满足在湿热环境条件下的使用要求，需通过湿热试验进行试验验证。

1.3 淋雨和风速指标对冷却装置的影响

淋雨和风速对冷却装置的室外侧部分设备产生影响。室外侧用电设备的防护等级较高，防止因雨水进入接线柱导致短路现象。室外侧的各零部件、设备底部、凹槽等部位应设置排水孔，防止雨水积聚导致材料腐蚀等不良现象。由于冷却装置是依靠环境空气将热量散出，风机排风与自然风产生对冲，风机的风量会减小，影响设备的散热能力。因此冷却装置在进出风面设计时应考虑避免风机排风与自然风产生对冲。

2 原理和组成

冷却装置原理流程如图1所示。为了规避在低温环境下压缩机启动工作，充分利用低温环境直接散热，冷却装置具有液冷和制冷2种工作模式。

图1 冷却装置原理流程

当环境温度≤T1时，压缩机不工作，冷却装置采用空气与冷却液直接换热的方式散热，简称液冷模式。在液冷模式下，若冷却液温度≤T2，则先对系统进行预热。预热方式为：先开启冷却液循环泵，再投入储水箱中的电加热器，对循环冷却液进行预热，当循环冷却液温度上升至T3，停止预热。当环境温度＞T1时，压缩机工作，水冷装置采用压缩机制冷系统进行散热，简称制冷模式。一般情况下，T1≥ 5 ℃、T2≤ -10 ℃、T3≥ 0 ℃，并且T1，T2，T2的数值可根据实际情况设定。

冷却装置主要由室内机和室外机两部分组成。室内机主要包括：循环水泵、储水箱、膨胀水箱、冷却液电磁阀、过滤器以及系统管路和管路附件等。室外机主要包括：压缩机、翅片式换热器、轴流式风机、板式蒸发器、储液器以及制冷配件与制冷系统管路。

3 设计要点分析

冷却装置的设计要从全时域全区域和全寿命的两个方面综合考虑。全时域全区域方面，要充分考虑冷却装置适用不同区域的各种环境，即冷却装置要能承受上述环境指标考核。全寿命方面，冷却装置在设计时应充分考虑设备安装、使用、维护等阶段的方便性，尽可能降低各阶段对人力物力等使用要求。

3.1 零部件匹配分析

在上述环境条件下要保证冷却装置稳定运行和供液温度、供液压力、供液流量等参数稳定，则应重视零部件匹配。零部件的匹配方式主要取决于冷却装置的技术体制、控制方式以及在特殊使用场合下充分考虑设备的安装空间结构。冷却装置的主要的零部件匹配包括压缩机、风机以及蒸发器等匹配设计。

3.1.1 压缩机匹配分析

压缩机匹配主要从压缩机形式、设计工况和制冷量、体积重量和噪声等方面综合考虑。冷却装置主要优先选用涡旋式压缩机或活塞式压缩机。两型压缩机的特点对比见表1。综合以上比较，冷却装置选用涡旋压缩机更优。由于冷却装置的供液温度一般都在20 ℃以上，因此在保证设计工况在压缩机的运行工况范围内的前提下，制冷系统的蒸发温度设计较高为宜，这样可以提高压缩机COP，减小冷却装置的用电需求。

表1 两型压缩机特点对比

3.1.2 风机匹配分析

冷却装置的风机匹配不仅要考虑总风量和静压，还需重点考虑如何控制风机风量。冷却装置风机匹配方式一般有2种：（1）采用多台定速风机，利用风机启停方式实现风量调节；（2）采用无级调节风机，通过无极调节风机的转速实现风量无极调节。2种风机匹配方式对冷却装置的影响对比见表2。

表2 2种风机匹配方式对冷却装置的影响对比

因此，冷却装置一般优先选用无极调节风机。但是由于结构空间小等原因，冷却装置需要匹配大风量大静压型风机，该型风机目前国内无法生产，只能依靠国外进口。

3.1.3 蒸发器匹配分析

冷却装置结构空间小，蒸发器尽可能选用体积小重量轻的换热器形式。目前板式换热器换热效率高，体积小重量轻，而且成熟可靠，适合作为冷却装置的蒸发器。由于冷却装置使用于特殊场合，蒸发器冷却液侧具有大温差大流量的特点。该类型的板式换热器在选型设计时，不仅要关注蒸发器在设计工况下的换热能力，同时也要关注蒸发器的冷却液侧阻力。由于换热温差和冷却液侧流量都较大，单从换热能力的角度计算，蒸发器的所需换热面积可能比较小，但是此时冷却液侧阻力比较大。因此冷却装置蒸发器的选型计算要平衡换热能力和冷却液侧阻力2个参数，为冷却装置优化匹配创造条件。

3.2 设备适装性分析

冷却装置由于使用场合特殊，室外机可以整体安装，室外机由于安装空间的局限性，属于预制件散件安装，因此冷却装置必须要开展适装性设计。以下从整机、室内机和室外机3个方面分析冷却装置的适装性设计。

3.2.1 整机适装性分析

对于冷却装置整机而言，制作模拟工装，在模拟工装内进行整机模拟安装，以保证整机的适装性。制作整机模拟工装有以下几个优点：

（1）冷却装置安装方式特殊，设备的安装接口多，模拟工装可以保证接口尺寸的精度；

（2）模拟工装把分体散件安装设备整合成整体，在研制阶段可以发现冷却装置在设计上、维修操作性等方面的不足之处；

（3）模拟工装为冷却装置的模拟联调测试、检验以及转运等提供便利。

3.2.2 室内机适装性分析

室内机安装属于预制件散件安装，室内机与舱体之间和室内机零部件、管道之间的接口较多。通过以下措施，可以较少接口，保证室内机的适装性。

（1）在室内机与舱体接口之间设置过度件，把大部分的外部接口变成内部接口。内部接口可以在整机模拟工装上进行验证，从而保证设备的适装性。

（2）由于管路零部件、管道与管道的接口之间设置适量伸缩调整的绕性接管，既可以消除适当部位的刚性连接，还可以弥补接口之间尺寸上的偏差。

3.2.3 室外机适装性分析

室外机属于整体安装，主要通过底部和侧面接口进行固定。室外机的适装性主要是要保证接口的加工精度。室外机框架是用不锈钢钣金件拼焊而成，而不锈钢钣金件焊接变形量比较大，因此室外机底座接口应在底座焊接成型后进行加工，框架焊接成型后在整机模拟工装上进行试安装确认。室外机侧面一般采用过度件进行安装固定。过度件采用腰型安装孔等方式，去适应可能出现的尺寸偏差。另外，室外机侧面靠墙式安装，采用顶部吊装方式室外机容易到达安装位置。若条件许可，室外机优先采用顶部吊装方式。

3.3 供液温度设计分析

3.3.1 供液温度控制分析

冷却装置的供液温度控制方式一般有恒温式和波动式2种控制方式。2种控制方式的优缺点如下：

（1）恒温式控制方式能够保持供液温度恒定或微小波动，而波动式控制方式的供液温度波动较大，温度波动范围可能到达±3 ℃；

（2）恒温式控制方式系统流程复杂，设备量较大，特别是重要设备需要热备份的情况下；

（3）恒温式控制方式所需总耗电量增加；

（4）恒温式控制方式的冷却装置运行过程相对稳定，对电网冲击较小。

冷却装置供液温度具体采取何种控制方式主要取决于电子设备对温度控制进度要求、设备布置空间、耗电功率等因数影响。一般情况下电子设备对温度控制精度要求不高，而冷却装置布置空间小、允许的耗电功率较少。

依据以上分析，冷却装置具体采取何种供液温度控制方式，应进行综合考虑，选取适合实际需求的控制方式。以上述冷却装置为例，在低温模式下，利用风机可以无极调节转速的方式，冷却装置供液温度采取恒温的控制方式；在高温模式下，利用压缩机启停方式，控制供液温度在一定范围内波动［7］。

3.3.2 供液温度防凝露设计

冷却装置向电子设备提供冷冷却液，供液管路、元器件冷板等表面因温度较低，在高温高湿环境下，可能会出现凝露现象。凝露对于电子设备会产生重大危害，因此冷却装置的供液温度必须采取防凝露措施，防止供液管路、元器件冷板等表面凝露。冷却装置采用供液温度默认值和供液温度值随露点温度动态调整的方法，可以有效防止凝露。具体的技术措施如下：

（1）冷却装置设置露点温度传感器，实时检测空气的露点温度Tg；

（2）供液温度设置默认值T，并将供液温度设置默认值T与空气的露点温度Tg进行实时比较：当空气的露点温度Tg＜供液温度默认值T时，冷却装置的实际供液温度运行值以T值运行；当空气的露点温度Tg≥供液温度默认值T时，冷却装置的实际供液温度运行值随露点温度动态调整至露点温度以上值。

通过以上技术措施，在实际运行环境条件下，冷却装置的供液温度实际运行值大于空气的露点温度值，从而可以避免供液管路、元器件冷板等表面出现凝露。冷却装置在实际运行过程中，供液温度运行值会出现偏差、震荡等现象，应尽量避免供液温度运行值下限低于空气的露点温度。

3.4 模式切换方式分析

为了充分利用低温环境，冷却装置具有液冷和制冷2种工作模式。2种模式以环境温度为切换点。依据上述对2种模式定义，当环境温度在T1值左右波动时，会出现2种工作模式频繁切换现象。由于2种工作模式设备工作方式和冷却液管路流程不同，工作模式频繁切换会导致系统工作不稳定甚至无法工作。为了防止当环境温度处于T1值左右波动时出现模式频繁切换现象，冷却装置采取以下控制措施：

（1）开机前检测环境温度值，以此环境温度值判定冷却装置的开机后的运行模式；

（2）如果开机后，冷却装置运行液冷模式，运行过程中，无论环境温度如何变化，只要供液温度能够满足要求，冷却装置仍然运行液冷模式；只有当供液温度超过某个值时，冷却装置由液冷模式切换至制冷模式。

（3）冷却装置由液冷模式切换至制冷模式后，模式不再进行切换，直至下一次重新开机。

通过以上控制措施，冷却装置可以有效规避工作模式之间频繁切换问题。

4 改进建议

4.1 供液温度恒温控制

冷却装置在制冷模式下供液温度的控制方式属于波动式控制方式，设备工作稳定性欠佳而且造成对车载电网频繁冲击。在保持原有流程和耗电功率大致不变的条件下，利用冷凝热、调整蒸发器的冷却液流量等综合措施，实现制冷模式下的恒温控制。

4.2 模式切换的环境温度点提高

液冷模式与制冷模式相比，具有参与运行的零部件较少，耗电功率小，供液温度恒温控制，可靠性高，设备工作稳定等优点。因此，通过合理优化空间结构、强化换热等措施，尽可能提高模式切换的环境温度点，可以较小设备的耗电量，提高设备可靠性。

4.3 国产化

冷却装置目前所使用的风机、控制器等重要部件都使用进口件。面对当前复杂国际环境，重要零部件可能面临断供风险。应尽快对该部分进口件进行国产化研制或国产化替代。

5 结语

冷却装置具有使用场合特殊，结构空间小，使用环境苛刻等特点。以某型号冷却装置为例，本文对冷却装置的使用环境要求进行了介绍；对使用环境要求对冷却装置的影响进行分析；介绍了其系统原理流程和组成；在零部件匹配、适装性设计、供液温度控制以及模式切换方式等方面进行了详细分析并提出问题解决方案。通过对冷却装置多方面的分析和总结，提出来一些改进建议。