某艦載密閉電源機柜的熱設計及實現

韓延寧，董智鼎

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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某艦載密閉電源機柜的熱設計及實現

韓延寧，董智鼎

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

針對某密閉電源機柜的熱設計要求，采用局部水風換熱器循環風冷和冷板表面器件散熱相結合的設計思路，以UG三維軟件進行整體結構布局設計，再利用UG高級熱流仿真模塊進行熱散耗功率仿真，從而較好地解決了電源機柜的變壓器和隔離柵雙極晶體管(IGBT)等重要器件的散熱問題。整個方案具有設計合理、緊湊、可靠性高等特點。最后通過試驗，驗證了整個機柜熱設計的合理性。

電源機柜；熱設計；水冷

0 引 言

在目前電源機柜的熱設計中，往往采用強迫風冷的設計方法，這造成了電源機柜無法與外界環境隔絕，從而使得電源機柜在艦用條件下需承受鹽霧的腐蝕，導致其可靠性和使用壽命都會有所降低。

強迫風冷的設計主要應考慮到冷卻風機、風道、流場分布、濾塵器、噪聲、震動等方面。在傳統的電源機柜風冷設計中，經常出現各個分機內部設置小風機，每個小風機僅僅冷卻與其對應的電子發熱部件，或者通過一個整體風道，通過一組較大風機對機柜內部所有器件進行散熱。這種風冷形式，風機運行時風機或器件之間的氣流很可能相互影響，導致機柜內部有的器件和分機不能充分散熱。這種缺乏整體設計思路的熱設計必然導致電源機柜的使用效果差，壽命短，可靠性差。

1 電源機柜冷卻設計要求

某艦載密閉機柜, 總熱耗約2.8 kW, 機柜工作環境溫度-10℃～+40℃，用戶可提供溫度不超過40℃、流量不低于35 L/min、壓力不低于3 bar的淡水。要求對電源機柜進行熱設計, 控制機柜內的溫升。

機柜內各個發熱部件的具體發熱情況：

(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 電源機柜的散熱設計

根據設計要求，本電源機柜采用符合海軍標準的密閉鑄鋁機柜，機柜右側布置冷卻水進出口。機柜結構布局如圖1所示。

圖1 機柜布局圖

從結構組成上可分為8個組合，機柜頂部安裝濾波、轉接盒組合，機柜上部“加電控制組合”、“信號控制組合”設計為抽屜式結構，機柜中部3個“三相功率逆變組合”、一個“單相功率逆變組合”設計為板式直接固定在機架上，機柜底部“變壓器組合”直接安裝在機柜底板上，所有組合均方便拆卸，滿足正面維修要求[1]。變壓器組合產生的1.1 kW的熱量由置于變壓器組合上方的水風換熱器進行散熱，結構布置如圖2所示。

圖2 變壓器與換熱器布置圖

變壓器組合熱仿真結果如圖3所示，水溫為40℃時，換熱器出風口溫度為45℃，仿真結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

功率逆變組合產生的1.75 kW熱量平均分布到4個組合，每個組合約為437 W，每個組合由一個冷板作為散熱裝置，結構布置如圖4所示。

圖4 功率逆變組合布局圖

功率逆變組合平均每個冷板散熱量為437 W，對單個冷板進行仿真建立三維模型，冷板長440 mm，寬和高為110 mm×16 mm，散熱器上部均勻分布4個熱源，熱仿真結果如圖5所示。冷板入口水溫為40℃時，則冷板出口水溫為40.6℃，此時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

從上述變壓器水風換熱器散熱和功率逆變組合冷板的散熱仿真結果可知，在內循環水溫達到最高40℃時，電源機柜中溫度最高為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，熱點為IGBT，由變壓器及IGBT能承受的最高耐受溫度可知，該機柜的散熱設計滿足使用要求。

3 電源機柜的冷卻管路設計

根據水風換熱器、各冷板之間及管道流阻的大小，為減少機柜內部水流量分配的轉換關節，節約機柜空間，將該電源機柜的水風換熱器和各冷板之間采用管路串聯的方式進行連接。結構如圖6所示[2]。根據上述散熱仿真的結果，由于變壓器溫升較高，因此電源機柜冷卻水首先進入水風換熱器，對變壓器進行散熱完成后，此時水的溫升約為1.6℃，再進入冷板對其表面的IGBT進行散熱，而冷板器件表面的溫升約為7.4℃，由于串聯冷板器件的溫升呈線性關系，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℃，對比IGBT可以耐受的120℃，因此可以確定該種串聯方式可以滿足該種電源機柜的散熱要求。

圖6 機柜管路布置圖

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

4 結束語

對比傳統的風冷式電源機柜冷卻設計，此種水風換熱器循環風冷和冷板表面器件散熱水冷相結合的散熱形式有諸多優點。最為突出的是使用水冷的方法，該電源可以采用密閉機柜，從而使機柜內部與外界環境相對隔絕，從而大大降低了器件遭受鹽霧腐蝕的侵害，提高了機柜整體的使用壽命。

此外該電源機柜的散熱形式能夠針對機柜內部的熱源進行重點散熱，減少冷卻系統占用整個機柜的體積，便于維護。所用風機全部內置于機柜內部，與外界隔絕，可以有效減少噪聲。采用密閉機柜形式，可以有效防塵，提高“三防”的效果。

該電源機柜設計中大量采用UG三維軟件的功能，該軟件能夠有效直觀地設計出機柜的結構形式以及進行機柜的散熱仿真。根據該設計方法，所生產的電源機柜能夠承受各種環境仿真試驗。實踐表明，采用UG三維設計能夠一次性地設計出合格的產品，提高了產品的設計效率。

[1] 張潤逵,戚仁欣,張樹熊,等.雷達結構與工藝[M].北京:電子工業出版社，2007.

[2] 孔瓏.工程流體力學[M].北京：中國電力出版社,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