張強(qiáng)

摘要：該文介紹了一種小型電子機(jī)柜空調(diào)器的設(shè)計(jì)方案，該空調(diào)器解決了密閉電子機(jī)柜散熱的問題，能夠在較小尺寸下達(dá)到1000W的制冷量，實(shí)現(xiàn)對相對密閉電子機(jī)柜小環(huán)境內(nèi)溫濕度的有效控制，提高機(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備的可靠性。

關(guān)鍵詞：空調(diào)器；溫度；濕度；可靠性

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2145-05

1 概述及原理

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備中的元件、組件、功能單元呈現(xiàn)出高度集成化的發(fā)展趨勢，由此帶來的高熱量、高熱流密度等問題大大影響了電子設(shè)備的可靠性。

而開放環(huán)境又無法避免外界的灰塵、有害氣體等進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部，對電子設(shè)備造成危害；且開放環(huán)境會對電子設(shè)備帶來電磁兼容等問題。

據(jù)10℃法則，溫度每上升10℃，電子設(shè)備的壽命會減少1倍。由此，我們設(shè)計(jì)了一種電子機(jī)柜專用空調(diào)器，以解決電子機(jī)柜內(nèi)部高密度散熱問題，且為電子機(jī)柜實(shí)現(xiàn)相對密閉提供條件，從而提高機(jī)柜內(nèi)部電子設(shè)備的可靠性。

空調(diào)器原理如圖1所示，

制冷劑在壓縮機(jī)驅(qū)動下不斷的循環(huán)流動，在蒸發(fā)器內(nèi)汽化吸熱，帶走電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量；然后在冷卻器內(nèi)冷凝放熱，把蒸發(fā)器內(nèi)所吸收的熱量傳遞給空氣。

2 空調(diào)器方案

空調(diào)器集成在電子機(jī)柜的前后門或者側(cè)壁上。為了適應(yīng)電子機(jī)柜的形態(tài)，空調(diào)器的形態(tài)為長方扁平型，在此種形態(tài)下實(shí)現(xiàn)制冷量1000W，設(shè)計(jì)難點(diǎn)較大，我們采用以下方案著重考慮設(shè)計(jì)。

機(jī)柜空調(diào)的內(nèi)外循環(huán)及散熱器的布局圖如下：

2.1 空調(diào)器的結(jié)構(gòu)

按照電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)特征，與之配合的空調(diào)器空間尺度要求寬度、高度尺度較大，厚度尺寸較小。這使得壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的選型以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大難度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛強(qiáng)度方面，我們主要考慮設(shè)置加強(qiáng)筋來提高其整體強(qiáng)度及剛度。

2.2 空調(diào)器的制冷量

空調(diào)器功能指標(biāo)是名義工況下制冷量為1000W，而結(jié)構(gòu)上要求厚度僅125mm。首先這對于空調(diào)器內(nèi)部散熱器（蒸發(fā)器、冷凝器）的尺寸要求非常嚴(yán)格，要求內(nèi)/外循環(huán)風(fēng)機(jī)有較大的風(fēng)量及風(fēng)壓，且受尺寸限制，整個制冷循環(huán)的設(shè)計(jì)比較困難。

2.3 環(huán)境條件的影響

為了能夠盡可能通用，我們選擇GJB150的艦載相關(guān)要求進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮各種環(huán)境因素對空調(diào)器的影響。例如壓縮機(jī)安裝底部采用減震器來進(jìn)行二次減震，以提高整機(jī)的抗震性；壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)的啟動電容安裝在空調(diào)器內(nèi)部以屏蔽其對外部設(shè)備的電磁干擾等。

2.4 空調(diào)器的顯控器

空調(diào)器控制系統(tǒng)及顯示采用獨(dú)立出空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高整體系統(tǒng)的可靠性，并且有利于設(shè)備維修。顯控器采用RS485通信協(xié)議提供對外雙向通信，有利于集成化管理。

2.5 電子機(jī)柜內(nèi)的凝露

溫控器在設(shè)計(jì)時，考慮應(yīng)用在密閉環(huán)境具有開機(jī)除濕的過程，增加了加熱裝置。其目的在于先將電子機(jī)柜內(nèi)空氣的含濕量降低，而后進(jìn)行制冷，避免急冷出現(xiàn)凝露，從而影響電氣性能。

3 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 空調(diào)器制冷循環(huán)及壓焓圖

按照HB68-88《房間空氣調(diào)節(jié)器用冷凝器、蒸發(fā)器》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定空調(diào)器在名義工況下的制冷循環(huán)的參數(shù)：

制冷劑蒸發(fā)溫度7.2℃，冷凝溫度54.4℃；減壓前的制冷劑液體溫度46.1℃，過冷溫度15℃；壓縮機(jī)吸氣溫度20℃，排氣溫度88℃。制冷循環(huán)壓焓圖如圖3所示。

查制冷劑R22熱力性質(zhì)表和圖，各點(diǎn)參數(shù)如附表1所示。

電子機(jī)柜內(nèi)外空氣參數(shù)設(shè)置如下：機(jī)柜內(nèi)干球溫度27℃，濕球溫度19.5℃。此時，相對濕度為50%；機(jī)柜外干球溫度35℃，濕球溫度24℃。此時，相對濕度為50%。

3.2 熱力計(jì)算

空調(diào)器要求的制冷量為1000W。冷凝器熱負(fù)荷大于空調(diào)器的制冷量，取負(fù)荷系數(shù)：[m=1.25]，則冷凝器熱負(fù)荷： [QK=m?Q0=1250W]。

3.2.1 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算

不考慮機(jī)柜新風(fēng)量，進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣狀態(tài)即為機(jī)柜內(nèi)空氣狀態(tài)，濕空氣經(jīng)過蒸發(fā)器的狀態(tài)變化如圖4所示。

蒸發(fā)器進(jìn)口空氣狀態(tài)參數(shù)：

干球溫度[t1g=27]℃，濕球溫度[t1s=19.5]℃。查濕空氣的h-d圖（焓-濕度圖），得蒸發(fā)器進(jìn)口處空氣的比焓值[h1=55.8kJ/kg]，含濕量[d=11.1g/kg]，相對濕度[?1=50%]。

初步確定蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)來核對散熱面積，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸見圖5所示，

采用強(qiáng)迫空氣對流直接對蒸發(fā)器進(jìn)行換熱。

蒸發(fā)器采用連續(xù)整體式鋁套片，中間插紫銅管，紫銅管正三角形排列。

可實(shí)際傳熱面積：[A=1.51m2]

取鋁片熱導(dǎo)率：[λ=204W/（m?K）]；

如不計(jì)R22的阻力對蒸發(fā)溫度的影響， 則傳熱溫差：

[θm=ta1-ta2lnta1-t0ta2-t0=13.1]；

計(jì)算蒸發(fā)器整體傳熱系數(shù)與很多因素有關(guān)，比如空氣流動速度、鋁套片的狀態(tài)、空氣溫度變化等。

換熱系數(shù)綜合了從制冷劑到銅管壁換熱系數(shù)、銅管壁到鋁套片的導(dǎo)熱系數(shù)以及鋁套片到空氣的換熱系數(shù)，計(jì)算得到整體換熱系數(shù)（計(jì)算過程略）：

[K0≈53.9W/（m2?K）]；

蒸發(fā)器所需的傳熱面積：

[Aof=Q0Koθm=1.42m2]

實(shí)際傳熱面積：[A=1.51m2>Aof]；

可以看出，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)滿足空調(diào)器換熱性能要求。

3.2.2 冷凝器計(jì)算

機(jī)柜空調(diào)的冷凝器結(jié)構(gòu)型式類似于蒸發(fā)器，采用強(qiáng)迫空氣對流進(jìn)行熱交換，冷凝器采用銅管外套鋁結(jié)構(gòu)。

冷凝器進(jìn)口空氣等于室外干球溫度，即[ta1=35]℃，取空氣進(jìn)出口溫差[ta2-ta1=10]℃，冷凝器空氣出口溫度[ta2=45]℃，冷凝器的冷凝溫度[tk=54.4]℃。

計(jì)算對數(shù)平均溫差：

由此可見，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)滿足空調(diào)器換熱性能要求。

3.2.3 風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)散熱器進(jìn)出口空氣溫度、傳熱量以及傳熱溫差，可得到蒸發(fā)器所需風(fēng)量：

計(jì)算時，取定壓比容，在進(jìn)出口平均溫度為24℃情況下為[1066J/（kg?K）]。在進(jìn)風(fēng)口溫度為30℃情況下，取[1.2kg/m3]的空氣密度。

冷凝器所需風(fēng)量：

計(jì)算時，取定壓比容，在進(jìn)出口平均溫度為40℃情況下為[1013J/（kg?K）]。在進(jìn)風(fēng)口溫度為35℃情況下，取[1.1kg/m3]的空氣密度。

根據(jù)蒸發(fā)器、冷凝器所需的風(fēng)量和風(fēng)壓（略），綜合考慮可靠性，選擇德國EBM離心風(fēng)機(jī)。

3.2.4 制冷濟(jì)的注入量

制冷濟(jì)的充注量對系統(tǒng)的影響較大。在毛細(xì)管長度一定的情況下，存在一個最佳制冷劑充注量，它須通過在實(shí)際裝置中進(jìn)行試驗(yàn)后確定。

3.2.5 溫控器

溫控器的作用是控制空調(diào)的正常和多功能的運(yùn)行，保護(hù)壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)正常運(yùn)行。溫控器提供RS422接口給遠(yuǎn)程控制平臺，控制界面如圖7所示。

4 增強(qiáng)換熱及冷凝水利用

空調(diào)器在設(shè)計(jì)過程中充分進(jìn)行了增強(qiáng)散熱，并對冷凝水進(jìn)行了二次利用，整體散熱達(dá)到了較好的效果。

4.1 增強(qiáng)換熱

兩個換熱器都采用三角形叉排。換熱器上的鋁片采用雙面沖縫開窗增加空氣紊流，以提高其換熱能力。散熱器內(nèi)套管采用薄壁紫銅管，管內(nèi)為螺旋面以增大散熱面積，提高傳熱能力。從另一個方面來講，此增強(qiáng)散熱措施有利于進(jìn)一步減小散熱器的整體尺寸。

4.2 冷凝水的利用

制冷過程中蒸發(fā)器由于空氣比焓值降低，將導(dǎo)致蒸發(fā)器側(cè)出現(xiàn)冷凝水，傳統(tǒng)方法用軟管將其引至空調(diào)底部排出。我們將冷凝水通過管路連接到冷凝器段，將冷凝水引流到冷凝器上蒸發(fā)到外部空氣中。此舉既增強(qiáng)冷凝器的散熱能力，又合理處理了冷凝水問題。

5 總結(jié)

電子機(jī)柜空調(diào)器已進(jìn)行了單機(jī)實(shí)驗(yàn)，在內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)口空氣溫度為30℃時，內(nèi)循環(huán)出風(fēng)口溫度為17℃，通過焓差法可得到空調(diào)器的制冷量為1060W，滿足預(yù)定制冷量為1000W的要求，且制冷效率大于2。

在同樣環(huán)境溫度條件下，我們先后將電子機(jī)柜空調(diào)器和強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器集成在機(jī)柜上進(jìn)行對比試驗(yàn)。機(jī)柜內(nèi)小環(huán)境溫度前者比后者的平均低了約15℃。

該電子機(jī)柜空調(diào)器通過GJB150的振動、沖擊、高低溫、高溫高濕、霉菌等試驗(yàn)，滿足艦載條件環(huán)境適應(yīng)性的要求。目前，空調(diào)器已成功與普通電子機(jī)柜、軍用電子機(jī)柜集成為相對密閉體，實(shí)現(xiàn)與外部惡劣環(huán)境的隔離。電子機(jī)柜空調(diào)器為電子設(shè)備在高熱流散熱及惡劣外部環(huán)境條件下穩(wěn)定工作提供了一個嶄新的平臺，應(yīng)用前景廣泛。

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