电子机柜空调器

张强

摘要：该文介绍了一种小型电子机柜空调器的设计方案，该空调器解决了密闭电子机柜散热的问题，能够在较小尺寸下达到1000W的制冷量，实现对相对密闭电子机柜小环境内温湿度的有效控制，提高机柜内电子设备的可靠性。

关键词：空调器；温度；湿度；可靠性

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2145-05

1 概述及原理

随着现代电子技术的发展，电子设备中的元件、组件、功能单元呈现出高度集成化的发展趋势，由此带来的高热量、高热流密度等问题大大影响了电子设备的可靠性。

而开放环境又无法避免外界的灰尘、有害气体等进入机柜内部，对电子设备造成危害；且开放环境会对电子设备带来电磁兼容等问题。

据10℃法则，温度每上升10℃，电子设备的寿命会减少1倍。由此，我们设计了一种电子机柜专用空调器，以解决电子机柜内部高密度散热问题，且为电子机柜实现相对密闭提供条件，从而提高机柜内部电子设备的可靠性。

空调器原理如图1所示，

制冷剂在压缩机驱动下不断的循环流动，在蒸发器内汽化吸热，带走电子设备产生的热量；然后在冷却器内冷凝放热，把蒸发器内所吸收的热量传递给空气。

2 空调器方案

空调器集成在电子机柜的前后门或者侧壁上。为了适应电子机柜的形态，空调器的形态为长方扁平型，在此种形态下实现制冷量1000W，设计难点较大，我们采用以下方案着重考虑设计。

机柜空调的内外循环及散热器的布局图如下：

2.1 空调器的结构

按照电子机柜的结构特征，与之配合的空调器空间尺度要求宽度、高度尺度较大，厚度尺寸较小。这使得压缩机和风机的选型以及结构设计具有较大难度。在结构设计的刚强度方面，我们主要考虑设置加强筋来提高其整体强度及刚度。

2.2 空调器的制冷量

空调器功能指标是名义工况下制冷量为1000W，而结构上要求厚度仅125mm。首先这对于空调器内部散热器（蒸发器、冷凝器）的尺寸要求非常严格，要求内/外循环风机有较大的风量及风压，且受尺寸限制，整个制冷循环的设计比较困难。

2.3 环境条件的影响

为了能够尽可能通用，我们选择GJB150的舰载相关要求进行环境试验，在设计过程中，需要考虑各种环境因素对空调器的影响。例如压缩机安装底部采用减震器来进行二次减震，以提高整机的抗震性；压缩机及风机的启动电容安装在空调器内部以屏蔽其对外部设备的电磁干扰等。

2.4 空调器的显控器

空调器控制系统及显示采用独立出空调结构设计，以提高整体系统的可靠性，并且有利于设备维修。显控器采用RS485通信协议提供对外双向通信，有利于集成化管理。

2.5 电子机柜内的凝露

温控器在设计时，考虑应用在密闭环境具有开机除湿的过程，增加了加热装置。其目的在于先将电子机柜内空气的含湿量降低，而后进行制冷，避免急冷出现凝露，从而影响电气性能。

3 散热器的设计计算

3.1 空调器制冷循环及压焓图

按照HB68-88《房间空气调节器用冷凝器、蒸发器》标准，设定空调器在名义工况下的制冷循环的参数：

制冷剂蒸发温度7.2℃，冷凝温度54.4℃；减压前的制冷剂液体温度46.1℃，过冷温度15℃；压缩机吸气温度20℃，排气温度88℃。制冷循环压焓图如图3所示。

查制冷剂R22热力性质表和图，各点参数如附表1所示。

电子机柜内外空气参数设置如下：机柜内干球温度27℃，湿球温度19.5℃。此时，相对湿度为50%；机柜外干球温度35℃，湿球温度24℃。此时，相对湿度为50%。

3.2 热力计算

空调器要求的制冷量为1000W。冷凝器热负荷大于空调器的制冷量，取负荷系数：[m=1.25]，则冷凝器热负荷： [QK=m?Q0=1250W]。

3.2.1 蒸发器设计计算

不考虑机柜新风量，进入蒸发器的空气状态即为机柜内空气状态，湿空气经过蒸发器的状态变化如图4所示。

蒸发器进口空气状态参数：

干球温度[t1g=27]℃，湿球温度[t1s=19.5]℃。查湿空气的h-d图（焓-湿度图），得蒸发器进口处空气的比焓值[h1=55.8kJ/kg]，含湿量[d=11.1g/kg]，相对湿度[?1=50%]。

初步确定蒸发器结构参数来核对散热面积，蒸发器的结构尺寸见图5所示，

采用强迫空气对流直接对蒸发器进行换热。

蒸发器采用连续整体式铝套片，中间插紫铜管，紫铜管正三角形排列。

可实际传热面积：[A=1.51m2]

取铝片热导率：[λ=204W/（m?K）]；

如不计R22的阻力对蒸发温度的影响， 则传热温差：

[θm=ta1-ta2lnta1-t0ta2-t0=13.1]；

计算蒸发器整体传热系数与很多因素有关，比如空气流动速度、铝套片的状态、空气温度变化等。

换热系数综合了从制冷剂到铜管壁换热系数、铜管壁到铝套片的导热系数以及铝套片到空气的换热系数，计算得到整体换热系数（计算过程略）：

[K0≈53.9W/（m2?K）]；

蒸发器所需的传热面积：

[Aof=Q0Koθm=1.42m2]

实际传热面积：[A=1.51m2>Aof]；

可以看出，蒸发器结构满足空调器换热性能要求。

3.2.2 冷凝器计算

机柜空调的冷凝器结构型式类似于蒸发器，采用强迫空气对流进行热交换，冷凝器采用铜管外套铝结构。

冷凝器进口空气等于室外干球温度，即[ta1=35]℃，取空气进出口温差[ta2-ta1=10]℃，冷凝器空气出口温度[ta2=45]℃，冷凝器的冷凝温度[tk=54.4]℃。

计算对数平均温差：

由此可见，蒸发器结构满足空调器换热性能要求。

3.2.3 风量计算

根据散热器进出口空气温度、传热量以及传热温差，可得到蒸发器所需风量：

计算时，取定压比容，在进出口平均温度为24℃情况下为[1066J/（kg?K）]。在进风口温度为30℃情况下，取[1.2kg/m3]的空气密度。

冷凝器所需风量：

计算时，取定压比容，在进出口平均温度为40℃情况下为[1013J/（kg?K）]。在进风口温度为35℃情况下，取[1.1kg/m3]的空气密度。

根据蒸发器、冷凝器所需的风量和风压（略），综合考虑可靠性，选择德国EBM离心风机。

3.2.4 制冷济的注入量

制冷济的充注量对系统的影响较大。在毛细管长度一定的情况下，存在一个最佳制冷剂充注量，它须通过在实际装置中进行试验后确定。

3.2.5 温控器

温控器的作用是控制空调的正常和多功能的运行，保护压缩机和风扇电机正常运行。温控器提供RS422接口给远程控制平台，控制界面如图7所示。

4 增强换热及冷凝水利用

空调器在设计过程中充分进行了增强散热，并对冷凝水进行了二次利用，整体散热达到了较好的效果。

4.1 增强换热

两个换热器都采用三角形叉排。换热器上的铝片采用双面冲缝开窗增加空气紊流，以提高其换热能力。散热器内套管采用薄壁紫铜管，管内为螺旋面以增大散热面积，提高传热能力。从另一个方面来讲，此增强散热措施有利于进一步减小散热器的整体尺寸。

4.2 冷凝水的利用

制冷过程中蒸发器由于空气比焓值降低，将导致蒸发器侧出现冷凝水，传统方法用软管将其引至空调底部排出。我们将冷凝水通过管路连接到冷凝器段，将冷凝水引流到冷凝器上蒸发到外部空气中。此举既增强冷凝器的散热能力，又合理处理了冷凝水问题。

5 总结

电子机柜空调器已进行了单机实验，在内循环进风口空气温度为30℃时，内循环出风口温度为17℃，通过焓差法可得到空调器的制冷量为1060W，满足预定制冷量为1000W的要求，且制冷效率大于2。

在同样环境温度条件下，我们先后将电子机柜空调器和强迫风冷散热器集成在机柜上进行对比试验。机柜内小环境温度前者比后者的平均低了约15℃。

该电子机柜空调器通过GJB150的振动、冲击、高低温、高温高湿、霉菌等试验，满足舰载条件环境适应性的要求。目前，空调器已成功与普通电子机柜、军用电子机柜集成为相对密闭体，实现与外部恶劣环境的隔离。电子机柜空调器为电子设备在高热流散热及恶劣外部环境条件下稳定工作提供了一个崭新的平台，应用前景广泛。

参考文献：

[1] 王健石，朱柄林.电子设备结构设计标准手册[M].3版.中国标准出版社，2011.

[2] 闻邦椿.机械设计手册[M].机械工业出版社，2010.

[3] 赵惇殳.电子设备热设计[M].电子工业出版社，2009.

[4] 电子设备结构设计原理[M].东南大学出版社，2005.

[5] 吴业正.小型制冷装置设计指导[M].机械工业出版社，1999.

[6] 俞佐平.传热学[M].高等教育出版社，1979.