高興奎

(煙臺大學海洋學院，山東 煙臺 264005)

隨著我國科技化進程的加快，電子以及控制領域的飛速發(fā)展對電子設備應用環(huán)境[1]提出了更高要求，密閉式電子機柜就是其中之一。密閉式電子機柜中的電路及精密電子元件在工作時會產生大量熱量，這些熱量若不能及時有效排出，會導致電路板及元器件表面溫度過高，影響電器設備穩(wěn)定性和精度，甚至會導致電路燒毀[2-4]。由于目前電子元器件具備微型化、高密集度和高集成性的特點，設備結構較緊密，因此對設備的熱環(huán)境要求越發(fā)嚴格。為滿足密閉式電子機柜的散熱需求，電子機柜空調機應運而生[5]。

雖然我國電子機柜空調機相關技術發(fā)展落后于歐美發(fā)達國家，但也研發(fā)出了一系列有特色的電子機柜專用空調系統(tǒng)，如同濟大學的周志仁等[6]設計了優(yōu)化柜內空調配置的終端POP(point of production)機柜空調控制系統(tǒng)，對比分析機柜內環(huán)境要求與地區(qū)氣象條件，配置機柜內部結構，首次提出機柜空調的雙工況運營模式，有效降低了能耗；汪銘東等[7]設計了基于C8051單片機的軍事電子機柜溫度控制系統(tǒng)，利用核心控制芯片C8051，將溫度傳感器采集到的溫度信息傳遞給控制器，實現溫度自動控制。本文結合前人研究經驗，為實現密閉式電子機柜溫度控制，設計了密閉式電子機柜專用空調循環(huán)制冷系統(tǒng)，有效確保了密閉式電子機柜工作可靠性及穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

密閉式電子機柜專用空調循環(huán)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝回熱器、電加熱器等部分組成，如圖1所示。

圖1 專用空調循環(huán)制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)工作原理為：當密閉式電子機柜內部溫度超出系統(tǒng)設置溫度時，壓縮機開始制冷工作，將蒸發(fā)器吸收的熱量轉化成低溫、低壓的氣態(tài)制冷劑，經壓縮機壓縮處理后排入冷凝器。冷凝器在風機作用下通過散熱器向周圍散熱，冷凝成高溫、高壓液態(tài)制冷劑，經熱力膨脹閥節(jié)流降溫、降壓后，形成的低溫、低壓液態(tài)和氣態(tài)混合物經蒸發(fā)器作用后被汽化。汽化后的制冷劑蒸發(fā)器風機作用下吸收電子機柜中熱量，達到降溫制冷目的，同時析出冷凝水[8]。壓縮機將蒸發(fā)器通過吸收熱量轉變的低溫、低壓的氣態(tài)制冷劑吸入后，繼續(xù)實施壓縮，便實現了一次循環(huán)制冷。通過該過程的不斷循環(huán)，完成密閉式電子機柜內部降溫控制。由于系統(tǒng)析出冷凝水排到機柜外會使周圍產生大量的水，影響設備安全，為此在系統(tǒng)內設計冷凝水蒸發(fā)器以收集冷凝水，并利用電加熱器將其蒸發(fā)到空氣中，有效解決冷凝水析出問題[9]。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

1.2.1溫度采集模塊

系統(tǒng)溫度采集包括電子機柜內部溫度采集和制冷溫度的采集。為此，溫度采集模塊設計了兩個溫度傳感器，一個置于電子機柜回風口，采集機柜內部溫度，另一個置于電子機柜空調盤管處，采集系統(tǒng)制冷溫度。對比采集溫度和系統(tǒng)設置溫度，可作為系統(tǒng)是否出現故障的判斷依據[10]。

選擇由美國半導體DALLAS公司生產的型號為SD18B20的數字化總線型智能溫度傳感器,該傳感器具有體積小、線路結構簡單、抗干擾能力強、溫度測量精準度高等優(yōu)點，SD18B20傳感器利用單總線協(xié)議，不用與其他元件相連接，只利用一個I/O端口與單片機接口相接,便可將溫度信息轉化為數字信號提供給系統(tǒng)處理器，實現溫度采集[11-12]。

SD18B20傳感器有寄生電源供電和外部電源供電兩種方式。其中寄生電源供電是通過DQ端給器件供電，具備可不使用本地電源的優(yōu)點，缺點是數據轉換期間供電缺失，且多點測溫時溫度轉換精準性較差。由于密閉式電子機柜與系統(tǒng)距離較近，因此該模塊選擇外接電源方式，利用電源電壓(voltage drain drain,VDD)引腳對SD18B20傳感器進行供電，提升溫度轉換精度[13]。溫度采集模塊電路圖如圖2所示。

1.2.2控制執(zhí)行模塊

系統(tǒng)的控制執(zhí)行模塊可實現系統(tǒng)循環(huán)制冷輸出功能，依據溫度采集模塊采集到的溫度數值，控制系統(tǒng)執(zhí)行對應操作，決定是否啟動壓縮機?？刂茍?zhí)行模塊電路圖如圖3所示。

圖2 溫度采集模塊電路圖

圖3 控制執(zhí)行模塊

經Q8050放大后的信號指令由R13端傳送給繼電器K1，控制執(zhí)行指令。通過JP5的2，3腳交替與1腳電源輸入端線連接，控制壓縮機開關。K1動作的指示燈為DS2，開關S3啟動時空調處于停止工作狀態(tài)。

1.2.3通信模塊

采用uIP協(xié)議棧設計系統(tǒng)通信模塊網絡通信協(xié)議，利用局域網范圍內的網絡客戶端(電腦)登錄網頁IP地址，完成空調循環(huán)制冷系統(tǒng)相關信息查詢以及溫度范圍設定、相關參數修改，同時完成系統(tǒng)遠程監(jiān)控。通信模塊遠程管理拓撲結構簡圖如圖4所示。

圖4 通信模塊遠程管理拓撲結構簡圖

一個區(qū)域內有許多電子機柜處于工作狀態(tài)，每臺電子機柜具備一個固定且唯一的IP地址，以太網交換器會將一定區(qū)域內所有電子機柜的主要相關信息傳輸至監(jiān)控中心的網絡客戶端。利用監(jiān)控中心網絡客戶端登錄不同的IP地址，便可遠程監(jiān)控不同的電子機柜運行狀況[14]。

1.3 系統(tǒng)軟件總體設計

基于MDK5.14版的KeilμVision5IDE集成開發(fā)平臺的Windows環(huán)境設計系統(tǒng)軟件，遵循模塊化設計思想分別編寫功能模塊子程序，最后編寫主程序，主程序通過調用子程序實現系統(tǒng)各模塊功能，完成系統(tǒng)溫度控制。該方式便于軟件糾錯和后期各程序調試改善。系統(tǒng)軟件總體流程框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程框圖

系統(tǒng)軟件總體流程如下：系統(tǒng)開始運行，默認上次設定的溫度為系統(tǒng)制冷啟動溫度。系統(tǒng)運行后，首先對系統(tǒng)相關元器件進行檢查，查看是否存在故障。自檢無故障后，采集相關數據，如電子機柜溫度、系統(tǒng)實時制冷溫度、門位開關閉合狀態(tài)數據、上下浮子開關閉合狀態(tài)數據等。數據采集完成后，向主板處理器傳輸采集到的數據，展開與系統(tǒng)設定溫度值的邏輯運算，若超過系統(tǒng)設定值標準，對密閉式電子機柜實施降溫。冷凝水蒸發(fā)器工作原理是利用電加熱器對冷凝水進行蒸發(fā)處理，系統(tǒng)根據上下浮子開關狀態(tài)數據控制冷凝水蒸發(fā)器是否工作，并繼續(xù)對電子機柜內部數據實時監(jiān)測，此時完成一次系統(tǒng)循環(huán)制冷[15]。

2 系統(tǒng)測試

2.1 程序調試

為保障系統(tǒng)測試安全，避免產生安全事故，在系統(tǒng)測試之前需利用印制電路板(printed circuit board，PCB)檢查電路元件焊接情況，利用萬能電表檢查電源是否存在短路，檢查通過后通電，對電源工作情況、芯片發(fā)熱情況進行檢查，檢查通過后，測試電源測試值與理論值差異是否在安全范圍內及電路板引腳間是否存在短路情況，安全檢測完成后，進行系統(tǒng)測試。

2.2 系統(tǒng)測試

基于節(jié)省成本考慮，為便于系統(tǒng)測試，制作小型電路板，并利用導線將電子機柜溫度輸入電阻、制冷溫度輸入電阻、上下浮子開關按鈕、門位開關按鈕等與電路板對應接口相連，通過改變電子機柜溫度和制冷溫度以及門位、上下浮子開關驗證系統(tǒng)性能。系統(tǒng)測試的實物圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試的實物圖

通過改變模擬負載箱負荷對零負載、半負載以及全負載3種情況下的系統(tǒng)性能展開模擬試驗。

系統(tǒng)吸氣、排氣壓力變化情況如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)壓力變化情況

分析圖7數據可知，系統(tǒng)壓力變化較為平穩(wěn)，相同負載下，壓力變化沒有產生較大波動，隨著負載的增加，排氣壓力呈增大趨勢。

系統(tǒng)供風溫度、相對濕度變化情況如圖8所示。

圖8 溫度、相對濕度變化情況

分析圖8數據可知，系統(tǒng)在3種不同負載情況下運行時，供風溫度和相對濕度變化均在《密閉式電子機柜專用空調機組規(guī)范》標準范圍內，可滿足實際應用需求。

系統(tǒng)壓縮機以及回熱量投入情況見表1?？烧{電加熱輸出比變化、回風溫度變化情況如圖9所示。

表1 系統(tǒng)壓縮機以及回熱量投入情況

圖9 可調電加熱輸出比變化、回風溫度變化情況

分析圖9可知，系統(tǒng)在3種不同負載情況下運行時，可調電加熱均可以適應不同負載的調節(jié)需求，隨著系統(tǒng)負載增加，系統(tǒng)回風溫度呈增大趨勢。表明系統(tǒng)設置的控溫措施可以有效發(fā)揮作用，可良好實現密閉式電子機柜制冷需求。

由于密閉式電子機柜專用空調機組應用環(huán)境的特殊性，空調循環(huán)制冷系統(tǒng)的部件均采用可靠性較高工藝，這樣才能確保專用空調循環(huán)制冷系統(tǒng)機組運行的可靠性和安全性。表2為本文系統(tǒng)的部分選用配件與普通民用空調所用部件對比結果。

表2 本文系統(tǒng)部分選用配件和普通民用空調配件比較

根據表2，本文系統(tǒng)的節(jié)流部件采用熱力膨脹閥，可以依據實際的熱負荷情況對系統(tǒng)的壓力和制冷劑流量進行自動調節(jié)，完成空調機組的整體配置，實現空調機組長期、高效運行，在提升本文系統(tǒng)無故障運行時間的基礎上，增加系統(tǒng)壽命。普通民用空調僅采用毛細管節(jié)流，不能有效控制制冷劑流量和壓力，系統(tǒng)機組運行狀態(tài)效果較差。本文系統(tǒng)采用微電腦進行系統(tǒng)循環(huán)制冷控制，可以為密閉式電子機柜提供可保障系統(tǒng)恒溫、恒濕的運行環(huán)境。微電腦還可自動監(jiān)測、診斷系統(tǒng)機組運行狀態(tài)，對已經出現和將要產生的故障，利用系統(tǒng)自身具備的完善的報警功能，為系統(tǒng)安全運行和故障的及時、有效排除提供保障。普通民用空調控制系統(tǒng)結構設計簡單且不具備報警功能。因此本文系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。

由于密閉式電子機柜專用空調循環(huán)制冷系統(tǒng)是憑借制冷劑為換熱介質，因此系統(tǒng)性能會受到諸多因素影響。為此基于試驗設計(design of experiment，DOE)方法設計分析工況，采用拉丁超立方抽樣方法(Latin hypercube sampling,LHS)研究各種因素影響下的系統(tǒng)制冷性能，系統(tǒng)壓縮機轉速、蒸發(fā)器風溫和風速、環(huán)境相對濕度、冷凝器風溫和風速等對系統(tǒng)制冷量、制熱能效比(coefficient of performance，COP)和排氣壓力的影響程度見表3。

分析表3 數據可知，通過改變冷凝器的風溫和風速提升系統(tǒng)制冷量的效果不明顯；系統(tǒng)壓縮機轉速對于系統(tǒng)COP的影響最大，冷凝器風溫對其影響次之，且二者與COP呈負相關，因此可通過調整冷凝器風溫提升系統(tǒng)COP；冷凝器風溫對于系統(tǒng)排氣壓力影響最大，壓縮機轉速影響次之，且二者均呈正相關。其中僅有冷凝器風速與其呈負相關，因此可通過提升冷凝器風速降低系統(tǒng)排氣壓力。

表3 各因素對系統(tǒng)制冷量、 COP、排氣壓力影響程度

3 結束語

為解決密閉式電子機柜內部溫度過高引發(fā)的安全問題，本文設計了一種密閉式電子機柜專用空調循環(huán)制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可精準監(jiān)控機柜內部溫度變化并及時采取措施進行降溫，確保其散熱需求。試驗中模擬了不同負載條件下系統(tǒng)運行情況，結果表明系統(tǒng)運行較為平穩(wěn)，可滿足機柜使用規(guī)范；與普通民用空調系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)具備溫度控制精準度、運行可靠性和安全性高的特點。本文設計的系統(tǒng)對密閉式電子機柜具有一定的推廣價值。