循环风冷却系统在舰载密闭式电子机柜中的应用与分析

丁东旭， 郭 新， 魏纪君， 袁广超， 侯春枝， 江用胜

（1.合肥通用机械研究院安徽合肥2300 882.广东交通职业技术学院广东广州5108 00）

0 引言

近年来，舰载电子设备多采用密闭式电子机柜结构，舰载电子设备的热流密度不断增加，电子设备的主要故障形式为过热损坏，因此对电子设备的有效散热是提高产品可靠性的关键，散热性成为技术攻克的要点。

早在上世纪末，徐伯遐[1]已经对海上恶劣的自然环境对舰载电子设备的影响作出了论述，认为高温、高湿是影响舰载电子设备有效运作的主要因素。据统计，55%的电子设备失效是由温度过高引起的。文献[2]强迫空气冷却的制冷方法，设计简单、使用方便、可靠性高、成本低廉，但是机柜内电路模块直接暴露在海上恶劣气候环境下，受高温、潮湿、盐雾、霉菌、灰尘等因素综合影响，电路的失效率高，使得设备可靠性也大大降低。所以有效地控制机柜内的温湿度就成为提高舰载电子装备抗恶劣环境能力的重要途径。

图1 循环风冷却系统原理示意图

图2 送风温度及湿度对应的露点温度

低温低湿的环境要求就成了改善问题的关键点，密闭式电子机柜结构的设计很好的符合了要求，其循环风经过系统内部处理，对密闭式电子机柜内的元器件进行换热，该换热方式避免电子元器件直接与大气进行接触，避免大气的水份和灰尘进入机柜，同时能对机柜内存在的空气水份进行处理，保持机柜内的干燥，减少对电子设备的损坏。循环风冷却系统的研究，能有效解决舰载电子设备的散热，同时整体环境防护能力，使其有效地避开海上恶劣的环境、严酷的电子兼容性和机械环境的要求，提高舰载电子设备的可靠性以及稳定性。

1 循环风冷却系统原理

循环风冷却系统主要由制冷系统（包括：压缩机，水冷冷凝器，膨胀阀，蒸发器，冷凝回热器）以及循环风系统（包括：高压风机，空气过滤器，挡水板，通风管路）组成。循环风冷却系统原理示意图如图1所示。

2 循环风冷却系统关键技术

2.1 空气品质处理技术

根据电子设备风温度约21℃，湿度≤55%的指标要求，采用露点控制法对空气温度和湿度进行处理，以保证空气的品质。被处理的空气通过蒸发器之后的温度称为露点温度，露点控制法就是使运行中控制机组露点温度不变，其相对湿度接近饱和状态，达到95%，送风温度和湿度对应的露点温度如图2所示。

图3 空气处理过程图

因电子设备为密闭式电子机柜结构，密闭式电子机柜只有电子元器件的热耗，无湿度的增加，在密闭式空间内的余热发生变化而余湿不变的情况下固定露点，只要调节二次加热器的加热量就可保证送风状态不变。保证空调机中的露点温度不变，送风状态也有了保证。

图40 kW及18 kW温度及湿度曲线

采用露点控制法的优越性是：无论室外新风状态怎样变化，只要露点不变，调节就会变得行之有效。露点控制法的缺点在于将回风温度处理到露点以下，然后将温度进行升高，达到送风温度和湿度的要求。

2.2 冷凝回热技术应用

露点控制法，其缺点在于将回风温度处理到露点以下，然后将温度进行升高，达到送风温度和湿度的要求。对于需将温度升高，应用了冷凝回热技术。

在图3过程L-O，该过程需进行加热处理，为此，我们采用冷凝回热技术。空调机在制冷时，经制冷压缩机压缩后的高温制冷工质通过冷凝器和冷却水将热量排放到室外，这种热量称为制冷设备的废热，并会对周围环境造成热污染。由于废热包括从室内（“低温热源”）带出的热量和制冷机消耗外界能量做功产生的热量，因此废热量比制冷量更大。若将此废热回收利用，不仅可以减少环境污染，还可以达到节能的目的。冷凝回热技术利用压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸汽，在L-O过程中，对处理空气温度进行加热，并对排除的蒸汽量进行调节，达到送风温度和湿度的要求，并达到节能减排的目的。

2.3 针对海水环境适应性好

循环风冷却系统，其海水冷凝器采用海水直流冷却方式，其冷却效率高，系统运行管理简单，但是存在海水对金属材料的腐蚀较大等问题。壳管式冷凝器在国内外运用的比较成熟，其特点就在于采用耐海水腐蚀的换热管，换热管为白铜管，白铜在海水中具有较高的耐蚀性，由于铜具有高的正电位，铜不能置换氢，因此在空气、水溶液、非氧化性酸、有机酸和非氧化性有机化合物介质中均有良好的耐蚀性，特别是在流动的淡水和海水中具有优良的耐蚀性能，在海洋条件下，海洋生物不能附着。端盖采用铸铝青铜材料，在海水环境中应用也比较广泛。

图50 kW及18 kW风压及风量曲线

图60 kW及18 kW三通阀开度及回热阀开度

在其他防腐措施上，应用了牺牲阳极阴极保护法。现在船舶上主要采用锌阳极，对此可以在端盖上安装锌棒进行对壳管式冷凝器的进一步保护。

3 试验验证

3.1 技术指标要求

某舰用电子设备应用环境为-10～55℃，某电子设备（密闭式电子机柜结构）负荷为15 kW，电子设备需要供风量为5500 m3/h，风阻为1200 Pa，要求供风温度为21±3℃，供风湿度小于55%。三通阀开度5%～100%，回热阀开度0%～100%。

3.2 实验结果及其分析

在循环风冷却系统总装完成后，对循环风冷却系统进行试验验证，在外部设置0 kW以及18 kW的模拟负荷，对送风温度和送风相对湿度进行记录并进行比较。对比如图4所示；对送风风压及风量进行记录并对比，对比如图5所示；对三通阀开度和回热阀开度进行记录并对比，对比如图6所示。

经过试验验证，循环风冷却系统在模拟负荷变化时，送风温度和湿度能满足指标要求，满足使用要求；在负荷变化时，回热阀能在正常阀位工作，达到节能的目的。图4、图5和图6充分证明了循环风冷却系统应用的合理性、可靠性和稳定性，完全满足电子机柜负荷的变化。

4 结语

密闭机柜为舰用电子设备所提供的良好工作环境，降低了对元器件应用等级的要求，有利于工业级民品元器件或非加固计算机在军事电子装备中的广泛采用。循环风冷却系统在密闭式电子机柜上的应用，解决了密闭式电子机柜的散热问题，并提供高品质送风的保证，在使用过程中，有效节能措施的应用，对密闭式电子机柜的应用推广有着重要深远的意义。

[1]徐伯遐.抗恶劣环境的电子设备机柜设计 [J].雷达与对抗，1998，24（1）：38，39.

[2]平丽浩，钱吉裕，徐德好.电子装备热控新技术综述（下）[J].电子机械工程，2008，24（2）：2.

[3]赵培聪.舰用雷达机柜的现状及发展趋势 [J].电子机械工程，2001，（1）.11～13，46

[4]刘永.舰载电子设备循环风冷式密闭机柜 [J].雷达与对抗，2008，（4）：53～55.

[5]徐伯遐.抗恶劣环境的电子设备热设计探讨 [J].雷达与对抗，2000，（1）：49～53.

[6]王从思，等.电子设备的现代防护技术[J].电子机械工程，2005，（3）.1～4，21.

[7]罗震.舰用密闭机柜环境控制研究 [J].电子机械工程，2006（3）.12～15，18.