某舰载密闭电源机柜的热设计及实现

韩延宁，董智鼎

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



某舰载密闭电源机柜的热设计及实现

韩延宁，董智鼎

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

针对某密闭电源机柜的热设计要求，采用局部水风换热器循环风冷和冷板表面器件散热相结合的设计思路，以UG三维软件进行整体结构布局设计，再利用UG高级热流仿真模块进行热散耗功率仿真，从而较好地解决了电源机柜的变压器和隔离栅双极晶体管(IGBT)等重要器件的散热问题。整个方案具有设计合理、紧凑、可靠性高等特点。最后通过试验，验证了整个机柜热设计的合理性。

电源机柜；热设计；水冷

0 引 言

在目前电源机柜的热设计中，往往采用强迫风冷的设计方法，这造成了电源机柜无法与外界环境隔绝，从而使得电源机柜在舰用条件下需承受盐雾的腐蚀，导致其可靠性和使用寿命都会有所降低。

强迫风冷的设计主要应考虑到冷却风机、风道、流场分布、滤尘器、噪声、震动等方面。在传统的电源机柜风冷设计中，经常出现各个分机内部设置小风机，每个小风机仅仅冷却与其对应的电子发热部件，或者通过一个整体风道，通过一组较大风机对机柜内部所有器件进行散热。这种风冷形式，风机运行时风机或器件之间的气流很可能相互影响，导致机柜内部有的器件和分机不能充分散热。这种缺乏整体设计思路的热设计必然导致电源机柜的使用效果差，寿命短，可靠性差。

1 电源机柜冷却设计要求

某舰载密闭机柜, 总热耗约2.8 kW, 机柜工作环境温度-10℃～+40℃，用户可提供温度不超过40℃、流量不低于35 L/min、压力不低于3 bar的淡水。要求对电源机柜进行热设计, 控制机柜内的温升。

机柜内各个发热部件的具体发热情况：

(1) 变压器组合总热耗：1.1 kW；

(2) 功率逆变组合每组热耗约437 W，共4组总热耗为1.75 kW。

2 电源机柜的散热设计

根据设计要求，本电源机柜采用符合海军标准的密闭铸铝机柜，机柜右侧布置冷却水进出口。机柜结构布局如图1所示。

图1 机柜布局图

从结构组成上可分为8个组合，机柜顶部安装滤波、转接盒组合，机柜上部“加电控制组合”、“信号控制组合”设计为抽屉式结构，机柜中部3个“三相功率逆变组合”、一个“单相功率逆变组合”设计为板式直接固定在机架上，机柜底部“变压器组合”直接安装在机柜底板上，所有组合均方便拆卸，满足正面维修要求[1]。变压器组合产生的1.1 kW的热量由置于变压器组合上方的水风换热器进行散热，结构布置如图2所示。

图2 变压器与换热器布置图

变压器组合热仿真结果如图3所示，水温为40℃时，换热器出风口温度为45℃，仿真结果显示变压器表面最高温度为121.8℃，主要集中在三相变压器上，而该变压器可以耐受130℃高温，由此可知此种散热形式满足使用要求。

图3 变压器组合热仿真图

功率逆变组合产生的1.75 kW热量平均分布到4个组合，每个组合约为437 W，每个组合由一个冷板作为散热装置，结构布置如图4所示。

图4 功率逆变组合布局图

功率逆变组合平均每个冷板散热量为437 W，对单个冷板进行仿真建立三维模型，冷板长440 mm，宽和高为110 mm×16 mm，散热器上部均匀分布4个热源，热仿真结果如图5所示。冷板入口水温为40℃时，则冷板出口水温为40.6℃，此时冷板表面的器件最高温度为47.4℃，该热源隔离栅双极晶体管(IGBT)可以耐受到120℃，由此可知此种散热形式满足使用要求。

图5 冷板热仿真图

从上述变压器水风换热器散热和功率逆变组合冷板的散热仿真结果可知，在内循环水温达到最高40℃时，电源机柜中温度最高为121℃，主要分布在三相400 Hz的变压器上，冷板中最高温度为47℃左右，热点为IGBT，由变压器及IGBT能承受的最高耐受温度可知，该机柜的散热设计满足使用要求。

3 电源机柜的冷却管路设计

根据水风换热器、各冷板之间及管道流阻的大小，为减少机柜内部水流量分配的转换关节，节约机柜空间，将该电源机柜的水风换热器和各冷板之间采用管路串联的方式进行连接。结构如图6所示[2]。根据上述散热仿真的结果，由于变压器温升较高，因此电源机柜冷却水首先进入水风换热器，对变压器进行散热完成后，此时水的温升约为1.6℃，再进入冷板对其表面的IGBT进行散热，而冷板器件表面的温升约为7.4℃，由于串联冷板器件的温升呈线性关系，则最后一块冷板上器件温升最高的器件温度约为(1.6+7.4)℃×4=36℃，即最后一块冷板上器件最高温度约为41.6℃+36℃=77.6℃，对比IGBT可以耐受的120℃，因此可以确定该种串联方式可以满足该种电源机柜的散热要求。

图6 机柜管路布置图

为满足电源机柜可以快速维修性的要求，上述串联管路采用了卡口式的流体连接器形式进行连接，该流体连接器在维修时可以随意插拔，从而确保了电源机柜的功率逆变组合和变压组合能够方便地拆卸维修。

4 结束语

对比传统的风冷式电源机柜冷却设计，此种水风换热器循环风冷和冷板表面器件散热水冷相结合的散热形式有诸多优点。最为突出的是使用水冷的方法，该电源可以采用密闭机柜，从而使机柜内部与外界环境相对隔绝，从而大大降低了器件遭受盐雾腐蚀的侵害，提高了机柜整体的使用寿命。

此外该电源机柜的散热形式能够针对机柜内部的热源进行重点散热，减少冷却系统占用整个机柜的体积，便于维护。所用风机全部内置于机柜内部，与外界隔绝，可以有效减少噪声。采用密闭机柜形式，可以有效防尘，提高“三防”的效果。

该电源机柜设计中大量采用UG三维软件的功能，该软件能够有效直观地设计出机柜的结构形式以及进行机柜的散热仿真。根据该设计方法，所生产的电源机柜能够承受各种环境仿真试验。实践表明，采用UG三维设计能够一次性地设计出合格的产品，提高了产品的设计效率。

[1] 张润逵,戚仁欣,张树熊,等.雷达结构与工艺[M].北京:电子工业出版社，2007.

[2] 孔珑.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社,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