某艦載密閉電源機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

韓延寧，董智鼎

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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某艦載密閉電源機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

韓延寧，董智鼎

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

針對(duì)某密閉電源機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)要求，采用局部水風(fēng)換熱器循環(huán)風(fēng)冷和冷板表面器件散熱相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，以UG三維軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，再利用UG高級(jí)熱流仿真模塊進(jìn)行熱散耗功率仿真，從而較好地解決了電源機(jī)柜的變壓器和隔離柵雙極晶體管(IGBT)等重要器件的散熱問(wèn)題。整個(gè)方案具有設(shè)計(jì)合理、緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。最后通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了整個(gè)機(jī)柜熱設(shè)計(jì)的合理性。

電源機(jī)柜；熱設(shè)計(jì)；水冷

0 引 言

在目前電源機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)中，往往采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)計(jì)方法，這造成了電源機(jī)柜無(wú)法與外界環(huán)境隔絕，從而使得電源機(jī)柜在艦用條件下需承受鹽霧的腐蝕，導(dǎo)致其可靠性和使用壽命都會(huì)有所降低。

強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮到冷卻風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、流場(chǎng)分布、濾塵器、噪聲、震動(dòng)等方面。在傳統(tǒng)的電源機(jī)柜風(fēng)冷設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)各個(gè)分機(jī)內(nèi)部設(shè)置小風(fēng)機(jī)，每個(gè)小風(fēng)機(jī)僅僅冷卻與其對(duì)應(yīng)的電子發(fā)熱部件，或者通過(guò)一個(gè)整體風(fēng)道，通過(guò)一組較大風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)柜內(nèi)部所有器件進(jìn)行散熱。這種風(fēng)冷形式，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)或器件之間的氣流很可能相互影響，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)部有的器件和分機(jī)不能充分散熱。這種缺乏整體設(shè)計(jì)思路的熱設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致電源機(jī)柜的使用效果差，壽命短，可靠性差。

1 電源機(jī)柜冷卻設(shè)計(jì)要求

某艦載密閉機(jī)柜, 總熱耗約2.8 kW, 機(jī)柜工作環(huán)境溫度-10℃～+40℃，用戶可提供溫度不超過(guò)40℃、流量不低于35 L/min、壓力不低于3 bar的淡水。要求對(duì)電源機(jī)柜進(jìn)行熱設(shè)計(jì), 控制機(jī)柜內(nèi)的溫升。

機(jī)柜內(nèi)各個(gè)發(fā)熱部件的具體發(fā)熱情況：

(1) 變壓器組合總熱耗：1.1 kW；

(2) 功率逆變組合每組熱耗約437 W，共4組總熱耗為1.75 kW。

2 電源機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本電源機(jī)柜采用符合海軍標(biāo)準(zhǔn)的密閉鑄鋁機(jī)柜，機(jī)柜右側(cè)布置冷卻水進(jìn)出口。機(jī)柜結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 機(jī)柜布局圖

從結(jié)構(gòu)組成上可分為8個(gè)組合，機(jī)柜頂部安裝濾波、轉(zhuǎn)接盒組合，機(jī)柜上部“加電控制組合”、“信號(hào)控制組合”設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)，機(jī)柜中部3個(gè)“三相功率逆變組合”、一個(gè)“單相功率逆變組合”設(shè)計(jì)為板式直接固定在機(jī)架上，機(jī)柜底部“變壓器組合”直接安裝在機(jī)柜底板上，所有組合均方便拆卸，滿足正面維修要求[1]。變壓器組合產(chǎn)生的1.1 kW的熱量由置于變壓器組合上方的水風(fēng)換熱器進(jìn)行散熱，結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 變壓器與換熱器布置圖

變壓器組合熱仿真結(jié)果如圖3所示，水溫為40℃時(shí)，換熱器出風(fēng)口溫度為45℃，仿真結(jié)果顯示變壓器表面最高溫度為121.8℃，主要集中在三相變壓器上，而該變壓器可以耐受130℃高溫，由此可知此種散熱形式滿足使用要求。

圖3 變壓器組合熱仿真圖

功率逆變組合產(chǎn)生的1.75 kW熱量平均分布到4個(gè)組合，每個(gè)組合約為437 W，每個(gè)組合由一個(gè)冷板作為散熱裝置，結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 功率逆變組合布局圖

功率逆變組合平均每個(gè)冷板散熱量為437 W，對(duì)單個(gè)冷板進(jìn)行仿真建立三維模型，冷板長(zhǎng)440 mm，寬和高為110 mm×16 mm，散熱器上部均勻分布4個(gè)熱源，熱仿真結(jié)果如圖5所示。冷板入口水溫為40℃時(shí)，則冷板出口水溫為40.6℃，此時(shí)冷板表面的器件最高溫度為47.4℃，該熱源隔離柵雙極晶體管(IGBT)可以耐受到120℃，由此可知此種散熱形式滿足使用要求。

圖5 冷板熱仿真圖

從上述變壓器水風(fēng)換熱器散熱和功率逆變組合冷板的散熱仿真結(jié)果可知，在內(nèi)循環(huán)水溫達(dá)到最高40℃時(shí)，電源機(jī)柜中溫度最高為121℃，主要分布在三相400 Hz的變壓器上，冷板中最高溫度為47℃左右，熱點(diǎn)為IGBT，由變壓器及IGBT能承受的最高耐受溫度可知，該機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)滿足使用要求。

3 電源機(jī)柜的冷卻管路設(shè)計(jì)

根據(jù)水風(fēng)換熱器、各冷板之間及管道流阻的大小，為減少機(jī)柜內(nèi)部水流量分配的轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)，節(jié)約機(jī)柜空間，將該電源機(jī)柜的水風(fēng)換熱器和各冷板之間采用管路串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。結(jié)構(gòu)如圖6所示[2]。根據(jù)上述散熱仿真的結(jié)果，由于變壓器溫升較高，因此電源機(jī)柜冷卻水首先進(jìn)入水風(fēng)換熱器，對(duì)變壓器進(jìn)行散熱完成后，此時(shí)水的溫升約為1.6℃，再進(jìn)入冷板對(duì)其表面的IGBT進(jìn)行散熱，而冷板器件表面的溫升約為7.4℃，由于串聯(lián)冷板器件的溫升呈線性關(guān)系，則最后一塊冷板上器件溫升最高的器件溫度約為(1.6+7.4)℃×4=36℃，即最后一塊冷板上器件最高溫度約為41.6℃+36℃=77.6℃，對(duì)比IGBT可以耐受的120℃，因此可以確定該種串聯(lián)方式可以滿足該種電源機(jī)柜的散熱要求。

圖6 機(jī)柜管路布置圖

為滿足電源機(jī)柜可以快速維修性的要求，上述串聯(lián)管路采用了卡口式的流體連接器形式進(jìn)行連接，該流體連接器在維修時(shí)可以隨意插拔，從而確保了電源機(jī)柜的功率逆變組合和變壓組合能夠方便地拆卸維修。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比傳統(tǒng)的風(fēng)冷式電源機(jī)柜冷卻設(shè)計(jì)，此種水風(fēng)換熱器循環(huán)風(fēng)冷和冷板表面器件散熱水冷相結(jié)合的散熱形式有諸多優(yōu)點(diǎn)。最為突出的是使用水冷的方法，該電源可以采用密閉機(jī)柜，從而使機(jī)柜內(nèi)部與外界環(huán)境相對(duì)隔絕，從而大大降低了器件遭受鹽霧腐蝕的侵害，提高了機(jī)柜整體的使用壽命。

此外該電源機(jī)柜的散熱形式能夠針對(duì)機(jī)柜內(nèi)部的熱源進(jìn)行重點(diǎn)散熱，減少冷卻系統(tǒng)占用整個(gè)機(jī)柜的體積，便于維護(hù)。所用風(fēng)機(jī)全部?jī)?nèi)置于機(jī)柜內(nèi)部，與外界隔絕，可以有效減少噪聲。采用密閉機(jī)柜形式，可以有效防塵，提高“三防”的效果。

該電源機(jī)柜設(shè)計(jì)中大量采用UG三維軟件的功能，該軟件能夠有效直觀地設(shè)計(jì)出機(jī)柜的結(jié)構(gòu)形式以及進(jìn)行機(jī)柜的散熱仿真。根據(jù)該設(shè)計(jì)方法，所生產(chǎn)的電源機(jī)柜能夠承受各種環(huán)境仿真試驗(yàn)。實(shí)踐表明，采用UG三維設(shè)計(jì)能夠一次性地設(shè)計(jì)出合格的產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

[1] 張潤(rùn)逵,戚仁欣,張樹(shù)熊,等.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2007.

Thermal Design and Realization of Airtight Cabinet for A Certain Shipborne Power Supply

HAN Yan-ning，DONG Zhi-ding

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

According to the themal design requriements of a certain airtight power supply cabinet,this paper uses the design idea which combines partial cycle air cooling via air-water heat exchanger with heat abstraction through cooling plate on the surface devices,uses UG 3D software to design overall structrue and layout,adopts UG advanced thermal simulation module to simulate heat dissipation power,so the heat abstraction problems of power supply cabinet transformer and insulate-gate bipolar transistor (IGBT) as well as other important devices are commendably solved.The scheme has the advantages of reasonable design,compact structure and high reliability.Finally,the rationality of the cabinet thermal design is verified through the experiments.

power supply cabinet；thermal design；water cooling

2014-11-25

TN02

B

CN32-1413(2015)01-0118-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.028