一種艦船電子設(shè)備降噪散熱技術(shù)研究

劉靜 王飛

摘? ? 要：電子設(shè)備散熱方式，有自然冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、強(qiáng)迫液冷等。針對于艦船艙內(nèi)電子設(shè)備降噪聲、散熱、小型化和集成化需求，液冷散熱方式已較為廣泛應(yīng)用。本文提出一種艦船電子設(shè)備降噪散熱技術(shù)，重點(diǎn)解決散熱效率、降噪和可靠性幾方面，實現(xiàn)液冷模塊正常工作下電子設(shè)備機(jī)內(nèi)溫度保持在10℃～38℃。

關(guān)鍵詞：降噪；液冷模塊；冷卻

中圖分類號：X593? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research of the Noise Reduction and Liquid Cooling

Technology for Ship Electronic Equipment

LIU Jing1，? WANG Fei2

（ 1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430064; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The cooling methods of electronic equipment include natural cooling， forced air cooling， forced liquid cooling etc. In view of the demand for the noise reduction， heat dissipation， miniaturization and integration of electronic equipment in ship cabin， the liquid cooling has been widely used in industry， and there are relatively mature technical solutions. This paper presents a noise reduction & liquid cooling technology for ship electronic equipment. Through verifying the design of the system， it focuses on solving some aspects of heat dissipation efficiency， noise reduction and reliability， so as to realize that the temperature in the electronic equipment cabinet is kept between 10 ℃～38 ℃ under the normal operation of the liquid cooling module.

Key words： Noise Reduction;? Liquid Cooling Module;? Cooling

1? ? ?前言

信息化技術(shù)及電子集成技術(shù)快速發(fā)展，應(yīng)用大量新技術(shù)、新功能，集成度大大提高，體積越來越小，導(dǎo)致電子設(shè)備總功耗提高的同時，單位體積內(nèi)發(fā)熱量也進(jìn)一步增加，現(xiàn)在電子設(shè)備的發(fā)熱功率已從初期的15 W/cm2發(fā)展到超過150 W/cm2。

艦艇內(nèi)電子設(shè)備大部份采用風(fēng)冷散熱方式，已逐漸不能滿足大功率高集成度電子元器件、部件及箱體的散熱需求，且設(shè)置的散熱風(fēng)扇及風(fēng)道噪聲大，無法滿足隱身性能對空氣噪聲的限制。本文從研究一種艦載電子機(jī)柜散熱降噪可實現(xiàn)性系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計入手，實現(xiàn)滿足艦載電子設(shè)備性能，保證其使用壽命，并起到降低電子機(jī)柜空氣噪聲的效能。

2? ? 電子設(shè)備散熱方式比較

艦船裝配了大量的電子顯控臺、電控組件等，這些設(shè)備在使用過程中散發(fā)大量熱能，如果不及時有效的將這些熱量散發(fā)掉，將導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)關(guān)鍵元器件及部件溫度過高，影響設(shè)備運(yùn)行性能，甚至引發(fā)器件損壞，降低整體系統(tǒng)穩(wěn)定性和壽命。目前艦船內(nèi)電子設(shè)備主要采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式，隨著電子設(shè)備的功耗增加及集成化程度提高，這種模式已不能滿足高效的散熱隱身需求。

風(fēng)冷散熱方式，主要存在以下幾個問題：

（1）散熱效率低。傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱通過機(jī)箱的外表面對機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備散熱，散熱效率低，機(jī)箱內(nèi)溫度通常高達(dá)50 ℃；

（2）噪聲大。電子設(shè)備高功耗需通過大功率散熱風(fēng)扇散熱，噪聲大，噪聲等級約為 50～70 dB@50 Hz；

（3）對環(huán)境影響大。風(fēng)冷散熱的本質(zhì)是將設(shè)備產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，特別是對于密閉空間設(shè)備產(chǎn)生的熱量散發(fā)到密閉空間，增加了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，使得艙室內(nèi)噪聲大。

針對上述不足，各科研單位近年來開始研究新型散熱方式，提出了液冷散熱技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）散熱效率高。液冷散熱功率可達(dá)200 W/cm2，是風(fēng)冷散熱的20倍；

（2）噪音低。液冷系統(tǒng)一般通過液冷器中循環(huán)流動的冷卻液帶走熱量，在熱源端不會引入額外噪聲；液冷系統(tǒng)的主要噪聲源為水泵，通過選取低噪音水泵配合集中隔音處理，可很好的降低整體系統(tǒng)的噪聲；采用液冷散熱方式，電子設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生熱量通過冷水器中冷卻液帶走，進(jìn)入液冷循環(huán)系統(tǒng)，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量不會進(jìn)入所在艙室，降低了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，進(jìn)而降低空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管帶來的噪聲，符合艦船隱身降噪的整體需求；

（3）結(jié)構(gòu)簡單緊湊。多臺電子機(jī)柜共用一套液冷循環(huán)系統(tǒng)，集中鋪設(shè)管道，方便監(jiān)控管理；去除了機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)冷散熱的預(yù)留風(fēng)道，滿足設(shè)備小型化的需求。

液冷散熱是大功率電子設(shè)備散熱的發(fā)展趨勢，不僅可大大提高散熱效率，降低設(shè)備噪聲，而且可消除散熱過程對環(huán)境溫度的巨大影響，同時降低空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，并滿足電子設(shè)備小型化、集成化的散熱降噪需求。

3? ? 液冷散熱降噪技術(shù)現(xiàn)狀

液冷技術(shù)在民用領(lǐng)域已經(jīng)趨于成熟，主要有液冷空調(diào)、芯片液冷器和服務(wù)器液冷機(jī)柜等多種應(yīng)用形式。上世紀(jì)八十年代，瑞典愛立信元件有限公司提出用水作為冷卻媒介設(shè)計機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)并付諸實踐；2000年開始，日立公司開始推出液冷筆記本電腦及液冷臺式個人電腦，采用了芯片級液冷套降低CPU、GPU等關(guān)鍵發(fā)熱芯片的溫度；隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的功率密度越來越高，在歐美地區(qū)機(jī)柜液冷制冷方案已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用，主要有開放式和封閉式兩種方案，艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司在該領(lǐng)域有較深入的研究和實用性探索。

在軍用領(lǐng)域，液冷系統(tǒng)在航空上有較為成熟的應(yīng)用。作為現(xiàn)代高性能作戰(zhàn)飛機(jī)及特種飛機(jī)的重要組成部分，液冷系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)控制系統(tǒng)中，如SU-27、F-22以及一些特種直升機(jī)都有相應(yīng)的應(yīng)用[1]。

國外艦艇上也有比較成熟的應(yīng)用，如美國佛吉尼亞級潛艇和英國機(jī)敏級潛艇將冷卻系統(tǒng)應(yīng)用在電子機(jī)柜上，將氣冷方式換成電子設(shè)備輔助液冷系統(tǒng)，并對管路進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計，最終采用最大口徑的冷卻管路，由流量控制閥控制冷卻介質(zhì)的流量，以匹配熱負(fù)載，提高了散熱效率，降低了機(jī)柜空氣噪聲。

我國早期艦艇電子設(shè)備均采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式，散熱效率已成了電子設(shè)備集成化與小型化發(fā)展的瓶頸，也影響了新一代標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的實用性能，因此研究推廣高效的散熱制冷方式迫在眉睫，經(jīng)過各工業(yè)部門和科研院校的努力，已實現(xiàn)了部分電子設(shè)備產(chǎn)品采用液冷降噪散熱，取得較好的效果。

目前電子設(shè)備集成化和小型化，是提高艦船性能的必由之路，降低電子設(shè)備噪聲是改善艙內(nèi)工作環(huán)境和提高居住性，提高艦艇整體隱身性能的必然要求。液冷散熱技術(shù)相對傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱，在制冷效率、噪聲性能方面有絕對的優(yōu)勢，國內(nèi)外成功應(yīng)用先例也說明該技術(shù)是電子設(shè)備散熱降噪的發(fā)展方向。

4? ? 某電子機(jī)柜液冷散熱降噪系統(tǒng)總體方案設(shè)計

4.1? ?液冷器模塊及液冷降噪機(jī)柜內(nèi)設(shè)計方案

考慮到某艦艇內(nèi)空間狹小、重量受限，對設(shè)備體積、重量有苛刻要求，在艦內(nèi)布置一套集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、集中隔噪的冷卻系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)：溫度控制在10 ℃～38 ℃，制冷量不小于2.0 L/min/kW。

對應(yīng)眾多的成熟的工業(yè)化液冷模塊中，根據(jù)功能和性能特點(diǎn)，該艦選用一種通用液冷器，其液冷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1所示：導(dǎo)流層和導(dǎo)熱層由熱導(dǎo)率高的材料（不銹鋼或鋁合金等）制作，將導(dǎo)流層設(shè)計成蛇形水槽，然后在上面焊一層很薄的導(dǎo)熱層，這種結(jié)構(gòu)能增加冷卻液與導(dǎo)熱層的接觸面積，提高液冷器的散熱效率；絕熱殼由聚碳酸酯或聚乙烯等熱導(dǎo)率較低的材料制成，其作用是將液冷器與環(huán)境隔離，防止出現(xiàn)冷凝水。

電子機(jī)柜內(nèi)布設(shè)6個液冷器模塊。機(jī)柜內(nèi)部為分層結(jié)構(gòu)，每一層由加固機(jī)箱（或其他電氣模塊箱）及對應(yīng)液冷器模塊組成，由于加固箱后靠背為電纜等對外接口，因此液冷器模塊主要安裝在加固機(jī)箱上下表面或左右表面。電子機(jī)柜液冷內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

液冷器模塊安裝在機(jī)柜內(nèi)加固機(jī)箱的支架上，分開加固機(jī)箱表面的液冷器支架后，可以將加固機(jī)箱拉出修理維護(hù)；放回加固機(jī)箱后，合上分開的支架并擰緊螺絲，可以保證液冷器導(dǎo)熱面與加固機(jī)箱表面良好接觸。為方便加固機(jī)箱維修和拆卸，該支架設(shè)計可以在一定范圍內(nèi)移動，由于設(shè)計的多個液冷器為單獨(dú)安裝，具有維修和拆卸靈活、散熱接觸面積大、散熱效率高、可保證散熱效率等特點(diǎn)。

電子機(jī)柜采用密封機(jī)柜，結(jié)構(gòu)采用拼接形式。主要包含：側(cè)板、頂板、底座、底部和背部隔振器，以及安裝板、進(jìn)水口、出水口、進(jìn)水管、出水管、中間隔板等，機(jī)柜柜體框架連接方式為螺紋加膠連接，確保接觸面密封且電連續(xù)，并在框架轉(zhuǎn)角處設(shè)有加固零件確保柜體強(qiáng)度。

為進(jìn)一步減少機(jī)柜冷液流動和電子元器件等部件運(yùn)行產(chǎn)生的空氣噪聲，在機(jī)柜各側(cè)粘貼吸聲材料，厚度不小于15 mm，1 kHz吸聲系數(shù)不小于0.6、降噪系數(shù)不小于0.5，能達(dá)到較好的吸聲效果，但需要占用機(jī)柜內(nèi)部空間，如果沒有這么大的空間就僅粘貼在機(jī)柜后側(cè)，也能達(dá)到一定降噪效果。

4.2? ?防泄露、冷凝設(shè)計方案

電子機(jī)柜液冷散熱方案，安全性應(yīng)引起足夠重視，特別是針對泄漏和腐蝕等問題。本文主要通過設(shè)置安全閥、防泄漏接頭、冷凝液漏收集器、管道泄漏檢測與定位技術(shù)監(jiān)測及報警和泄漏后緊急處理等措施。

機(jī)柜一般由柜體及功能單元組成，功能單元通過導(dǎo)軌上架，采用密閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部配置除濕器降低機(jī)柜內(nèi)部濕度，以提高抗冷凝能力。

機(jī)柜內(nèi)部設(shè)置主管路，根據(jù)機(jī)柜內(nèi)機(jī)箱數(shù)量設(shè)置支路，通過支路管路、流體連接器等連接機(jī)箱，并在機(jī)柜底部留有小孔，將冷凝水匯聚，導(dǎo)引到機(jī)柜的冷凝液漏收集器。為防止產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，液冷管路一般采用不銹鋼或紫銅材料，減少產(chǎn)生腐蝕機(jī)會。

（1）防泄露設(shè)計

最理想的液冷管路是完全無泄漏的連接；但在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)，必須通過選用適當(dāng)?shù)倪B接方式、密封墊片以及元器件，在一定程度上有效的防止泄漏；通過合理布置接頭的位置，可以降低甚至消除水冷系統(tǒng)可能的泄漏對電子設(shè)備帶來的不利影響；組件連接器可采用非常成熟的O型圈密封結(jié)構(gòu)，重要部位甚至可采用雙道密封或三道冗余密封設(shè)計，以保障長期密封性能。

目前常用的流體接頭，有公稱管焊接接頭、螺紋接頭和卡套管接頭。其中，螺紋接頭包括NPT接頭、SAE直螺紋接頭、ISO直螺紋接頭、ISO錐螺紋接頭、NPTF干式密封接頭、37°AN擴(kuò)口式接頭；卡套管接頭包括壓縮接頭、擴(kuò)口式接頭、咬式接頭以及機(jī)械抓緊式接頭等。通過分析和試驗，連接進(jìn)水口和出水口的流體連接器，采用帶自卸壓流體接頭連接器，選用壓縮卡套管接頭，通過推拉旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鎖緊和斷開，保證無泄漏并安全可靠。

（2）防冷凝設(shè)計

根據(jù)目前艦船艙內(nèi)電子設(shè)備使用環(huán)境條件，設(shè)備使用中可能發(fā)生凝露現(xiàn)象，為防止水汽進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部，需對機(jī)柜側(cè)板、頂板、后板、連接器插座等部位安裝密封膠條進(jìn)行密封；機(jī)柜內(nèi)部插箱均氣密性設(shè)計，所有插箱板間搭接處設(shè)有密封橡膠條增強(qiáng)密閉性；機(jī)柜內(nèi)部加固箱、插箱等機(jī)箱內(nèi)的零部件均做三防處理；為防止冷凝管路產(chǎn)生的冷凝水或液漏水腐蝕機(jī)柜內(nèi)外，在機(jī)柜內(nèi)部和后方設(shè)置引流器和收集器，將水引導(dǎo)到機(jī)柜底部的液漏收集器處，并定期進(jìn)行清理[2]。

（3）管道泄漏的檢測與定位技術(shù)

在輸油管道領(lǐng)域發(fā)展相對較為成熟，常用的方法分為基于硬件的方法和基于軟件的方法兩大類。

針對水冷系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過對關(guān)鍵點(diǎn)的流量和壓力的檢測，采用流量平衡法和壓力梯度法相結(jié)合進(jìn)行泄漏檢測。兩種方法都是基于信號處理的軟件檢測方法：流量平衡法根據(jù)質(zhì)量平衡原理，基于管道出入口的流量是否相等來判斷泄漏，通過建立流量幅值曲線，考慮熱動態(tài)效應(yīng)的修正提高檢測精度；壓力梯度法基于流體壓力沿管道是線性變化的前提下進(jìn)行泄漏檢測和定位，當(dāng)發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)前流量大，泄漏點(diǎn)后流量小，沿線壓力梯度成折線型，交點(diǎn)為泄漏點(diǎn)，管道壓力梯度在泄漏點(diǎn)有相同的邊界條件，據(jù)此可計算出實際泄漏位置；通過機(jī)柜內(nèi)部濕度監(jiān)控設(shè)備，在管道泄漏的情況下，自動產(chǎn)生并傳輸報警信號，可快速斷開機(jī)柜頂部進(jìn)水口流體連接器，切斷液冷系統(tǒng)淡水的輸入。

4.3? ?液冷散熱降噪系統(tǒng)演示方案

通過建立液冷散熱降噪系統(tǒng)，驗證水冷方式用于艦載設(shè)備的可行性。

液冷散熱降噪系統(tǒng)搭建結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 3所示。水箱中的冷卻液由水泵送入液冷器，吸收電子機(jī)柜內(nèi)加固機(jī)箱表面熱量后進(jìn)入冷卻器降溫，最后回到水箱完成一個循環(huán)[3]。

監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)熱設(shè)備的溫度以檢測液冷器的散熱效率，通過冷卻器控制水溫、水泵控制壓力和流速，實現(xiàn)液冷器散熱效率的實時調(diào)整。

通過液冷演示系統(tǒng)，可驗證液冷散熱用于艦載電子設(shè)備的可行性；通過設(shè)置循環(huán)水溫、壓力和流速等參數(shù)與系統(tǒng)散熱效率的關(guān)系，為液冷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供實驗依據(jù)；針對液冷系統(tǒng)使用中可能存在的設(shè)備腐蝕、冷卻液泄漏以及冷凝水等問題，通過防泄漏和防冷凝設(shè)計各種措施進(jìn)行解決；完成在線監(jiān)控以及綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，保證液冷系統(tǒng)的可靠性。

通過對某艦電子機(jī)柜進(jìn)行改進(jìn)試驗驗證，機(jī)柜尺寸為：高X厚X寬=1.6 mX0.55 mX0.52 m，功率2 kW，原機(jī)柜采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，風(fēng)扇空氣噪聲約為52 dB（A）。通過該套液冷系統(tǒng)改進(jìn)，其運(yùn)行提供淡水，溫度控制在25 ℃，淡水設(shè)計換熱溫差控制在5 ℃，制冷量不小于2.0 l/min/kW，系統(tǒng)壓降估算為0.016 MPa。經(jīng)測試，此機(jī)柜液冷空氣噪聲降低到31 dB（A），管路無泄漏，可見液冷系統(tǒng)降噪散熱達(dá)到了很好的效果。

5? ? ?結(jié)語

本文介紹一種艦船電子設(shè)備散熱降噪系統(tǒng)設(shè)計，通過借鑒在工業(yè)界應(yīng)用較為廣泛的液冷散熱降噪，形成相對成熟的技術(shù)方案。液冷系統(tǒng)由于冷卻效率高、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊簡單等優(yōu)勢，將成為電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的首選。通過驗證系統(tǒng)的設(shè)計，本文設(shè)計方案可為艦船艙內(nèi)電子設(shè)備液冷散熱設(shè)計提供借鑒，可廣泛應(yīng)用在密閉空間內(nèi)電子設(shè)備機(jī)柜散熱中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱仕林等. 直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)液冷系統(tǒng)性能研究[J].中國科技信息.2021.?23（12）：? 82-85.

[2] 宗朝暉等.現(xiàn)代電力電子的冷卻技術(shù)[J].變流技術(shù)與電力牽引.2007.?04（4）：? 6.

[3] 陳程等. 緊湊型液冷散熱器的實驗研究 [J].工程熱物理學(xué)報.2016（69）：??62-65.

作者簡介：劉? 靜（1975-），女，高級工程師，從事船舶弱電設(shè)計工作。

王? 飛（1974-），男，高級工程師，從事船舶弱電設(shè)計工作

收稿日期：2022-12-21