一种舰船电子设备降噪散热技术研究

刘静 王飞

摘    要：电子设备散热方式，有自然冷却、强迫空气冷却、强迫液冷等。针对于舰船舱内电子设备降噪声、散热、小型化和集成化需求，液冷散热方式已较为广泛应用。本文提出一种舰船电子设备降噪散热技术，重点解决散热效率、降噪和可靠性几方面，实现液冷模块正常工作下电子设备机内温度保持在10℃～38℃。

关键词：降噪；
液冷模块；
冷却

中图分类号：X593                                    文獻标识码：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

信息化技术及电子集成技术快速发展，应用大量新技术、新功能，集成度大大提高，体积越来越小，导致电子设备总功耗提高的同时，单位体积内发热量也进一步增加，现在电子设备的发热功率已从初期的15 W/cm2发展到超过150 W/cm2。

舰艇内电子设备大部份采用风冷散热方式，已逐渐不能满足大功率高集成度电子元器件、部件及箱体的散热需求，且设置的散热风扇及风道噪声大，无法满足隐身性能对空气噪声的限制。本文从研究一种舰载电子机柜散热降噪可实现性系统技术设计入手，实现满足舰载电子设备性能，保证其使用寿命，并起到降低电子机柜空气噪声的效能。

2    电子设备散热方式比较

舰船装配了大量的电子显控台、电控组件等，这些设备在使用过程中散发大量热能，如果不及时有效的将这些热量散发掉，将导致设备内关键元器件及部件温度过高，影响设备运行性能，甚至引发器件损坏，降低整体系统稳定性和寿命。目前舰船内电子设备主要采用传统的风冷散热方式，随着电子设备的功耗增加及集成化程度提高，这种模式已不能满足高效的散热隐身需求。

风冷散热方式，主要存在以下几个问题：

（1）散热效率低。传统风冷散热通过机箱的外表面对机箱内电子设备散热，散热效率低，机箱内温度通常高达50 ℃；

（2）噪声大。电子设备高功耗需通过大功率散热风扇散热，噪声大，噪声等级约为 50～70 dB@50 Hz；

（3）对环境影响大。风冷散热的本质是将设备产生的热量转移到环境中，特别是对于密闭空间设备产生的热量散发到密闭空间，增加了空调系统的负荷，使得舱室内噪声大。

针对上述不足，各科研单位近年来开始研究新型散热方式，提出了液冷散热技术，该技术具有以下优点：

（1）散热效率高。液冷散热功率可达200 W/cm2，是风冷散热的20倍；

（2）噪音低。液冷系统一般通过液冷器中循环流动的冷却液带走热量，在热源端不会引入额外噪声；
液冷系统的主要噪声源为水泵，通过选取低噪音水泵配合集中隔音处理，可很好的降低整体系统的噪声；
采用液冷散热方式，电子设备内部产生热量通过冷水器中冷却液带走，进入液冷循环系统，电子设备产生的热量不会进入所在舱室，降低了空调系统的负荷，进而降低空调系统风管带来的噪声，符合舰船隐身降噪的整体需求；

（3）结构简单紧凑。多台电子机柜共用一套液冷循环系统，集中铺设管道，方便监控管理；
去除了机柜内部风冷散热的预留风道，满足设备小型化的需求。

液冷散热是大功率电子设备散热的发展趋势，不仅可大大提高散热效率，降低设备噪声，而且可消除散热过程对环境温度的巨大影响，同时降低空调系统负荷，并满足电子设备小型化、集成化的散热降噪需求。

3    液冷散热降噪技术现状

液冷技术在民用领域已经趋于成熟，主要有液冷空调、芯片液冷器和服务器液冷机柜等多种应用形式。上世纪八十年代，瑞典爱立信元件有限公司提出用水作为冷却媒介设计机房空调系统并付诸实践；
2000年开始，日立公司开始推出液冷笔记本电脑及液冷台式个人电脑，采用了芯片级液冷套降低CPU、GPU等关键发热芯片的温度；
随着网络发展，数据中心服务器的功率密度越来越高，在欧美地区机柜液冷制冷方案已经有了成熟的应用，主要有开放式和封闭式两种方案，艾默生网络能源公司在该领域有较深入的研究和实用性探索。

在军用领域，液冷系统在航空上有较为成熟的应用。作为现代高性能作战飞机及特种飞机的重要组成部分，液冷系统已经广泛应用于飞机控制系统中，如SU-27、F-22以及一些特种直升机都有相应的应用[1]。

国外舰艇上也有比较成熟的应用，如美国佛吉尼亚级潜艇和英国机敏级潜艇将冷却系统应用在电子机柜上，将气冷方式换成电子设备辅助液冷系统，并对管路进行了相应设计，最终采用最大口径的冷却管路，由流量控制阀控制冷却介质的流量，以匹配热负载，提高了散热效率，降低了机柜空气噪声。

我国早期舰艇电子设备均采用传统的风冷散热方式，散热效率已成了电子设备集成化与小型化发展的瓶颈，也影响了新一代标准机箱的实用性能，因此研究推广高效的散热制冷方式迫在眉睫，经过各工业部门和科研院校的努力，已实现了部分电子设备产品采用液冷降噪散热，取得较好的效果。

目前电子设备集成化和小型化，是提高舰船性能的必由之路，降低电子设备噪声是改善舱内工作环境和提高居住性，提高舰艇整体隐身性能的必然要求。液冷散热技术相对传统风冷散热，在制冷效率、噪声性能方面有绝对的优势，国内外成功应用先例也说明该技术是电子设备散热降噪的发展方向。

4    某电子机柜液冷散热降噪系统总体方案设计

4.1   液冷器模块及液冷降噪机柜内设计方案

考虑到某舰艇内空间狭小、重量受限，对设备体积、重量有苛刻要求，在舰内布置一套集成度高、结构紧凑、换热效率高、集中隔噪的冷却系统，其主要技术指标：温度控制在10 ℃～38 ℃，制冷量不小于2.0 L/min/kW。

对应众多的成熟的工业化液冷模块中，根据功能和性能特点，该舰选用一种通用液冷器，其液冷器的内部结构如图 1所示：导流层和导热层由热导率高的材料（不锈钢或铝合金等）制作，将导流层设计成蛇形水槽，然后在上面焊一层很薄的导热层，这种结构能增加冷却液与导热层的接触面积，提高液冷器的散热效率；
绝热壳由聚碳酸酯或聚乙烯等热导率较低的材料制成，其作用是将液冷器与环境隔离，防止出现冷凝水。

电子机柜内布设6个液冷器模块。机柜内部为分层结构，每一层由加固机箱（或其他电气模块箱）及对应液冷器模块组成，由于加固箱后靠背为电缆等对外接口，因此液冷器模块主要安装在加固机箱上下表面或左右表面。电子机柜液冷内部结构示意图，如图2所示。

液冷器模块安装在机柜内加固机箱的支架上，分开加固机箱表面的液冷器支架后，可以将加固机箱拉出修理维护；
放回加固机箱后，合上分开的支架并拧紧螺丝，可以保证液冷器导热面与加固机箱表面良好接触。为方便加固机箱维修和拆卸，该支架设计可以在一定范围内移动，由于设计的多个液冷器为单独安装，具有维修和拆卸灵活、散热接触面积大、散热效率高、可保证散热效率等特点。

电子机柜采用密封机柜，结构采用拼接形式。主要包含：侧板、顶板、底座、底部和背部隔振器，以及安装板、进水口、出水口、进水管、出水管、中间隔板等，机柜柜体框架连接方式为螺纹加胶连接，确保接触面密封且电连续，并在框架转角处设有加固零件确保柜体强度。

为进一步减少机柜冷液流动和电子元器件等部件运行产生的空气噪声，在机柜各侧粘贴吸声材料，厚度不小于15 mm，1 kHz吸声系数不小于0.6、降噪系数不小于0.5，能达到较好的吸声效果，但需要占用机柜内部空间，如果没有这么大的空间就仅粘贴在机柜后侧，也能达到一定降噪效果。

4.2   防泄露、冷凝设计方案

电子机柜液冷散热方案，安全性應引起足够重视，特别是针对泄漏和腐蚀等问题。本文主要通过设置安全阀、防泄漏接头、冷凝液漏收集器、管道泄漏检测与定位技术监测及报警和泄漏后紧急处理等措施。

机柜一般由柜体及功能单元组成，功能单元通过导轨上架，采用密闭式结构，内部配置除湿器降低机柜内部湿度，以提高抗冷凝能力。

机柜内部设置主管路，根据机柜内机箱数量设置支路，通过支路管路、流体连接器等连接机箱，并在机柜底部留有小孔，将冷凝水汇聚，导引到机柜的冷凝液漏收集器。为防止产生电化学腐蚀，液冷管路一般采用不锈钢或紫铜材料，减少产生腐蚀机会。

（1）防泄露设计

最理想的液冷管路是完全无泄漏的连接；
但在现实中无法实现，必须通过选用适当的连接方式、密封垫片以及元器件，在一定程度上有效的防止泄漏；
通过合理布置接头的位置，可以降低甚至消除水冷系统可能的泄漏对电子设备带来的不利影响；
组件连接器可采用非常成熟的O型圈密封结构，重要部位甚至可采用双道密封或三道冗余密封设计，以保障长期密封性能。

目前常用的流体接头，有公称管焊接接头、螺纹接头和卡套管接头。其中，螺纹接头包括NPT接头、SAE直螺纹接头、ISO直螺纹接头、ISO锥螺纹接头、NPTF干式密封接头、37°AN扩口式接头；
卡套管接头包括压缩接头、扩口式接头、咬式接头以及机械抓紧式接头等。通过分析和试验，连接进水口和出水口的流体连接器，采用带自卸压流体接头连接器，选用压缩卡套管接头，通过推拉旋转实现锁紧和断开，保证无泄漏并安全可靠。

（2）防冷凝设计

根据目前舰船舱内电子设备使用环境条件，设备使用中可能发生凝露现象，为防止水汽进入机柜内部，需对机柜侧板、顶板、后板、连接器插座等部位安装密封胶条进行密封；
机柜内部插箱均气密性设计，所有插箱板间搭接处设有密封橡胶条增强密闭性；
机柜内部加固箱、插箱等机箱内的零部件均做三防处理；
为防止冷凝管路产生的冷凝水或液漏水腐蚀机柜内外，在机柜内部和后方设置引流器和收集器，将水引导到机柜底部的液漏收集器处，并定期进行清理[2]。

（3）管道泄漏的检测与定位技术

在输油管道领域发展相对较为成熟，常用的方法分为基于硬件的方法和基于软件的方法两大类。

针对水冷系统的特点，通过对关键点的流量和压力的检测，采用流量平衡法和压力梯度法相结合进行泄漏检测。两种方法都是基于信号处理的软件检测方法：流量平衡法根据质量平衡原理，基于管道出入口的流量是否相等来判断泄漏，通过建立流量幅值曲线，考虑热动态效应的修正提高检测精度；
压力梯度法基于流体压力沿管道是线性变化的前提下进行泄漏检测和定位，当发生泄漏时，泄漏点前流量大，泄漏点后流量小，沿线压力梯度成折线型，交点为泄漏点，管道压力梯度在泄漏点有相同的边界条件，据此可计算出实际泄漏位置；
通过机柜内部湿度监控设备，在管道泄漏的情况下，自动产生并传输报警信号，可快速断开机柜顶部进水口流体连接器，切断液冷系统淡水的输入。

4.3   液冷散热降噪系统演示方案

通过建立液冷散热降噪系统，验证水冷方式用于舰载设备的可行性。

液冷散热降噪系统搭建结构示意图，如图 3所示。水箱中的冷却液由水泵送入液冷器，吸收电子机柜内加固机箱表面热量后进入冷却器降温，最后回到水箱完成一个循环[3]。

监控系统监测发热设备的温度以检测液冷器的散热效率，通过冷却器控制水温、水泵控制压力和流速，实现液冷器散热效率的实时调整。

通过液冷演示系统，可验证液冷散热用于舰载电子设备的可行性；
通过设置循环水温、压力和流速等参数与系统散热效率的关系，为液冷系统标准的制定提供实验依据；
针对液冷系统使用中可能存在的设备腐蚀、冷却液泄漏以及冷凝水等问题，通过防泄漏和防冷凝设计各种措施进行解决；
完成在线监控以及综合控制系统的设计与开发，保证液冷系统的可靠性。

通过对某舰电子机柜进行改进试验验证，机柜尺寸为：高X厚X宽=1.6 mX0.55 mX0.52 m，功率2 kW，原机柜采用强迫风冷散热方式，风扇空气噪声约为52 dB（A）。通过该套液冷系统改进，其运行提供淡水，温度控制在25 ℃，淡水设计换热温差控制在5 ℃，制冷量不小于2.0 l/min/kW，系统压降估算为0.016 MPa。经测试，此机柜液冷空气噪声降低到31 dB（A），管路无泄漏，可见液冷系统降噪散热达到了很好的效果。

5     结语

本文介绍一种舰船电子设备散热降噪系统设计，通过借鉴在工业界应用较为广泛的液冷散热降噪，形成相对成熟的技术方案。液冷系统由于冷却效率高、噪音小、結构紧凑简单等优势，将成为电子设备冷却系统的首选。通过验证系统的设计，本文设计方案可为舰船舱内电子设备液冷散热设计提供借鉴，可广泛应用在密闭空间内电子设备机柜散热中，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 朱仕林等. 直升机蒸发循环液冷系统性能研究[J].中国科技信息.2021. 23（12）：  82-85.

[2] 宗朝晖等.现代电力电子的冷却技术[J].变流技术与电力牵引.2007. 04（4）：  6.

[3] 陈程等. 紧凑型液冷散热器的实验研究 [J].工程热物理学报.2016（69）：  62-65.

作者简介：刘  静（1975-），女，高级工程师，从事船舶弱电设计工作。

王  飞（1974-），男，高级工程师，从事船舶弱电设计工作

收稿日期：2022-12-21

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