樊麗偉，余鵬翔，金 林，丁建國(guó)

（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，上海 201204）

0 引言

硬X射線自由電子激光裝置（Shanghai High Repetition Rate XFEL And Extreme Light Facility，簡(jiǎn)稱(chēng)SHINE），是國(guó)內(nèi)迄今為止投資最大的科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，也是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。它的建成能夠?yàn)槎鄬W(xué)科提供尖端的科研手段，極大提高國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)科研水平。

SHINE全長(zhǎng)3.1 km，位于地下30 m的隧道中。裝置運(yùn)行期間隧道環(huán)境相對(duì)密閉，磁鐵、采集等設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求極高。然而，柜內(nèi)電子學(xué)設(shè)備對(duì)放置空間的溫度變化也非常敏感，溫度細(xì)微變化會(huì)引起數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確等一系列問(wèn)題。而電子學(xué)設(shè)備自發(fā)熱使得機(jī)柜在隧道中變成熱源，這就要求機(jī)柜必須進(jìn)行自散熱且熱量不能傳導(dǎo)到隧道空氣中，避免引起隧道內(nèi)環(huán)境溫度的變化。柜內(nèi)外時(shí)刻保持溫度穩(wěn)定，減少溫度變化，需具有散熱、保溫、穩(wěn)定的三重性能。SHINE隧道存在復(fù)雜磁場(chǎng)，為保證機(jī)柜內(nèi)精密的電子器件少受環(huán)境電磁干擾，機(jī)柜需具有電磁屏蔽效能。裝置運(yùn)行期間隧道內(nèi)存在大量電離輻射，人員無(wú)法進(jìn)入本地操作，要求機(jī)柜具有遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和控制功能。隧道內(nèi)設(shè)備擺放空間有限，機(jī)柜內(nèi)冷卻模塊必須少占用柜內(nèi)空間，以滿(mǎn)足設(shè)備安裝需求。綜合以上因素，如何有效地監(jiān)控機(jī)柜狀態(tài)，保持恒溫和電磁屏蔽效能，成了裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，亟需研發(fā)一種能夠適應(yīng)各種使用要求的機(jī)柜。然而，此種高性能的特種機(jī)柜，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上并無(wú)類(lèi)似產(chǎn)品。

調(diào)研國(guó)外的同類(lèi)裝置中，例如歐洲自由電子激光裝置（European-XFEL），在隧道內(nèi)同樣使用高精度水冷式機(jī)柜。雖然加以改造能夠滿(mǎn)足使用要求，但從國(guó)外進(jìn)口價(jià)格將十分昂貴，加上貿(mào)易和疫情因素導(dǎo)致海外供貨周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足安裝需求。如改機(jī)柜產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化，即可解決此工程難題。

1 恒溫機(jī)柜研制

1.1 換熱方式

SHINE裝置隧道內(nèi)布置充足水冷卻，同時(shí)參考國(guó)外同類(lèi)型裝置電氣機(jī)柜冷卻模式，本機(jī)柜采用水冷式設(shè)計(jì)方案。機(jī)柜內(nèi)部除進(jìn)出線口外全部密封，強(qiáng)制對(duì)流換熱[1]。水冷散熱方式具有散熱能力強(qiáng)、散熱效率高、能耗低以及可實(shí)現(xiàn)余熱回收利用等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空調(diào)冷卻方式散熱能力和效率不高、耗電量大，以及易發(fā)生局部過(guò)熱現(xiàn)象等多方面的不足[2]。根據(jù)SHINE隧道內(nèi)整體布局，將機(jī)柜換熱功率定位在1kW。

1.2 換熱計(jì)算

柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，散熱量達(dá)到相對(duì)恒定值，設(shè)置固定溫度和流量的冷卻水，通過(guò)水熱交換器進(jìn)行熱量交換將柜內(nèi)熱量帶出。機(jī)柜內(nèi)部進(jìn)行密封式強(qiáng)制風(fēng)冷循環(huán)，可同時(shí)達(dá)到散熱和恒溫效果。

式（1）中：Qwater—機(jī)柜換熱量；Cp.water—水的比熱；Mwater—冷卻水質(zhì)量；Δtwater—冷卻水溫升。

當(dāng)機(jī)柜冷卻水流量設(shè)置為5 L/min時(shí)，機(jī)柜內(nèi)熱源為1 kW，穩(wěn)定1 h后換熱量為1kW·h。設(shè)風(fēng)扇換熱效率達(dá)到100%時(shí)，冷卻水回水理論溫升2.86℃。而實(shí)際產(chǎn)品的換熱效率約90%左右，回水溫度約3.2℃。分析計(jì)算表明，水冷散熱模式可行且回水溫升在可接受范圍內(nèi)，符合工程使用要求。

圖1 機(jī)柜風(fēng)道設(shè)計(jì)Fig.1 Cabinet air duct design

1.3 溫度精度和智能控制

機(jī)柜內(nèi)外溫度精度控制關(guān)鍵在于水冷模塊風(fēng)扇運(yùn)行的控制。在機(jī)柜內(nèi)設(shè)備數(shù)量不變，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，發(fā)熱量是穩(wěn)定的。冷卻水帶走柜內(nèi)熱量時(shí)，熱量轉(zhuǎn)移也是穩(wěn)定的，能夠引起柜內(nèi)溫度不均勻或者變化的就是水冷交換器的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)表明，風(fēng)扇的不同轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)柜內(nèi)部的溫度變化影響很大。恒溫機(jī)柜的溫度精度控制采用PID算法，在機(jī)柜內(nèi)部不同位置設(shè)置多組溫度探頭監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)溫度，通過(guò)PID溫度反饋體系對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)控制，進(jìn)而調(diào)整柜內(nèi)冷風(fēng)循環(huán)，保證機(jī)柜內(nèi)部溫度精度，溫度數(shù)據(jù)可向中控傳輸和反向控制，達(dá)到智能要求[3]。

機(jī)柜對(duì)外散熱不能避免地通過(guò)機(jī)柜面板向外散熱，而要求機(jī)柜內(nèi)熱量盡量少地傳遞到環(huán)境中，就必須在機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計(jì)保溫層。恒溫機(jī)柜采用高隔熱性能的軟保溫棉，在機(jī)柜結(jié)構(gòu)框體內(nèi)壓邊粘貼，使機(jī)柜整體處于隔熱狀態(tài)。

1.4 風(fēng)道設(shè)計(jì)

在散熱模式和溫度精度控制方式確定后，還有柜內(nèi)的風(fēng)道設(shè)計(jì)能夠影響機(jī)柜內(nèi)整體的恒溫性能。在研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了3款不同風(fēng)道方向的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)原理如圖1，以對(duì)比不同風(fēng)道對(duì)機(jī)柜內(nèi)部性能的影響，選擇最合適的風(fēng)道模式。

1#機(jī)柜采用機(jī)柜側(cè)夾板水冷原理，風(fēng)道水平橫向循環(huán)。機(jī)柜左右兩個(gè)側(cè)板夾層空間有限，各布置一套長(zhǎng)且薄的銅制水冷換熱器，在機(jī)柜側(cè)板靠近后門(mén)兩側(cè)，自上而下均勻布置12個(gè)小型吸風(fēng)風(fēng)扇，共24個(gè)風(fēng)扇，冷風(fēng)從側(cè)板靠近前門(mén)兩側(cè)吹出，使冷風(fēng)在柜內(nèi)橫向循環(huán)，控制器模塊布置在機(jī)柜頂部，水冷管路在機(jī)柜底部匯總[4]。橫向風(fēng)道使得柜內(nèi)每層溫度均勻，在豎直方向上可能存在溫度梯度。

2#機(jī)柜采用前底部水冷原理，長(zhǎng)方體型換熱器嵌入機(jī)柜底部，機(jī)柜前門(mén)底部裝配一個(gè)變頻風(fēng)扇，向前門(mén)方向吹冷風(fēng)，通過(guò)前門(mén)板和層板引導(dǎo)，機(jī)柜后底部自然回風(fēng)，形成豎向順時(shí)針風(fēng)道[5,6]。由于大多數(shù)設(shè)備散熱口在機(jī)柜后部，換熱器可直接將熱風(fēng)吸入，在前門(mén)區(qū)域吹出冷風(fēng)，冷風(fēng)透過(guò)設(shè)備層間隙及側(cè)板風(fēng)道向后部擴(kuò)散，形成冷風(fēng)通道的良性循環(huán)，設(shè)備始終處于冷風(fēng)保護(hù)區(qū)域。

圖2 1.0 kW加熱負(fù)載恒溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.2 1.0 kW heating load constant temperature test data

圖3 592.3 W加熱負(fù)載恒溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 592.3W Heating load constant temperature test data

3#機(jī)柜采用后底部水冷原理，同樣是長(zhǎng)方體型換熱器嵌入機(jī)柜底部，區(qū)別在于機(jī)柜后門(mén)底部安裝兩個(gè)小風(fēng)扇，向后吹冷風(fēng)，冷風(fēng)沿著機(jī)柜后門(mén)擴(kuò)散，與設(shè)備散熱熱氣直接在機(jī)柜后部進(jìn)行交匯，熱風(fēng)在機(jī)柜前門(mén)底部自然回風(fēng)，在機(jī)柜內(nèi)部形成豎向逆時(shí)針風(fēng)道。

1.5 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

在SHINE特殊的使用環(huán)境下，高性能電磁屏蔽柜對(duì)于機(jī)柜的加工細(xì)節(jié)、接縫電磁處理要求極高。在機(jī)柜門(mén)縫處壓邊包裹EMC膠條，減少開(kāi)孔數(shù)量和尺寸，僅在機(jī)柜頂板和底板開(kāi)進(jìn)出線孔，水管孔和電纜孔均采用導(dǎo)電泡棉，增加機(jī)柜的導(dǎo)通性能，機(jī)柜供電增加濾波器[7]。

2 技術(shù)指標(biāo)

在散熱性能方面，要求在內(nèi)部運(yùn)行電子學(xué)設(shè)備發(fā)熱功率1 kW內(nèi)，柜內(nèi)溫度相對(duì)環(huán)境溫升小于10℃，柜外溫度相對(duì)環(huán)境溫升小于1℃，機(jī)柜內(nèi)外表面溫度均勻溫度變化在±0.2℃范圍內(nèi)。由于機(jī)柜處于地下30 m隧道中，水冷換熱器要求承受1.0 Mpa壓力。電磁屏蔽性能按《結(jié)構(gòu)件電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范》內(nèi)屏蔽效能≥C級(jí)，即30 MHz～230 MHz頻段范圍內(nèi)屏蔽效能大于40dB；在230 MHz～1000 MHz頻段范圍內(nèi)屏蔽效能大于30dB。機(jī)柜采用Modbus/TCP通訊協(xié)議和Ethernet接口[8]，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊功能，在中控機(jī)房顯示柜內(nèi)實(shí)時(shí)溫度、冷卻水流量等信息，遠(yuǎn)程控制機(jī)柜開(kāi)關(guān)。

3 恒溫機(jī)柜測(cè)試

3.1 恒溫測(cè)試平臺(tái)

為驗(yàn)證不同風(fēng)道設(shè)計(jì)機(jī)柜的恒溫性能，搭建一套測(cè)試平臺(tái)。使用可調(diào)節(jié)壓力、流量、溫度的水冷機(jī)組模擬隧道內(nèi)冷卻水源，可同時(shí)為3臺(tái)機(jī)柜提供冷卻水，在回水管路上安裝流量傳感器和溫度傳感器，測(cè)量機(jī)柜流量和回水溫度。試驗(yàn)中冷卻水流量設(shè)置為5 L/min，壓力1.0 MPa左右，供水溫度設(shè)置與環(huán)境溫度相同。為消除不同廠家機(jī)柜自帶溫度探頭的檢測(cè)誤差，統(tǒng)一安裝溫度檢測(cè)系統(tǒng)。選取機(jī)柜內(nèi)外側(cè)壁上中下的各3個(gè)點(diǎn)，共6個(gè)點(diǎn)粘貼溫度探頭，3臺(tái)機(jī)柜溫度探頭布置在同一位置消除位置差別影響；設(shè)置1個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)溫度探頭，與環(huán)境溫升差值情況判斷是否符合技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)網(wǎng)線將機(jī)柜控制器與測(cè)試平臺(tái)聯(lián)接，可在平臺(tái)上讀寫(xiě)機(jī)柜開(kāi)關(guān)狀態(tài)、柜內(nèi)溫度、啟動(dòng)溫度、報(bào)警溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等信息，同時(shí)采集18個(gè)機(jī)柜內(nèi)外溫度探頭、3個(gè)機(jī)柜回水溫度及1個(gè)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

表1 電磁屏蔽測(cè)試設(shè)備Table 1 Electromagnetic shielding test equipment

3.2 恒溫測(cè)試結(jié)論

分別使用1.0 kW點(diǎn)式熱源和真實(shí)散熱設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電源控制箱、串口服務(wù)器等約28 U，共592.3 W）作為加熱器，在冷卻水供水溫度30℃，流量5 L/min工況下，運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄柜內(nèi)外最高最低溫度、機(jī)柜控制器顯示溫度、回水溫度，與環(huán)境溫度相比計(jì)算溫升，以溫升情況判斷3種不同風(fēng)道設(shè)計(jì)機(jī)柜性能。1.0 kW加熱負(fù)載恒溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試如圖2，592.3 W真實(shí)設(shè)備加熱負(fù)載恒溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3。

通過(guò)兩組試驗(yàn)對(duì)比3種不同風(fēng)道設(shè)計(jì)機(jī)柜，1#機(jī)柜水平橫向風(fēng)道，散熱絕熱性能良好，但柜內(nèi)小風(fēng)扇過(guò)多導(dǎo)致溫度控制不穩(wěn)定，超過(guò)了±0.2℃的變化范圍。2#機(jī)柜豎向順時(shí)針風(fēng)道，各項(xiàng)恒溫性能優(yōu)異。3#機(jī)柜豎向逆時(shí)針風(fēng)道，采用點(diǎn)熱源情況下恒溫性能良好，但采用真實(shí)設(shè)備散熱時(shí)柜內(nèi)風(fēng)道風(fēng)阻變大，兩個(gè)小風(fēng)扇風(fēng)壓不足，冷風(fēng)不能覆蓋設(shè)備區(qū)域，散熱能力大幅下降。綜合以上分析，2#機(jī)柜風(fēng)道設(shè)計(jì)更為合理。兩種測(cè)試情況下，對(duì)回水溫度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)回水溫升和散熱計(jì)算，在1.0 kW點(diǎn)式加熱源下，3個(gè)機(jī)柜的換熱效率分別為66.5%、99.3%、92.2%；在592.3 W真實(shí)設(shè)備散熱下，3個(gè)機(jī)柜的換熱效率分別為48.3%、67.6%、84.5%，在此情況下3個(gè)機(jī)柜換熱效率均有不同程度下降。工程使用中，真實(shí)設(shè)備散熱比點(diǎn)熱源更貼合實(shí)際情況，試驗(yàn)結(jié)果更具有代表意義[9]。

3.3 電磁屏蔽效能測(cè)試

柜內(nèi)敏感設(shè)備在受到電磁干擾時(shí)可發(fā)生性能下降或功能失效故障，為保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備正常工作，參考《結(jié)構(gòu)件電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范》，機(jī)柜按照C級(jí)屏蔽效能（30 MHz～230 MHz 40dB；230 MHz～1000MHz 30dB）指標(biāo)設(shè)計(jì)。根據(jù)GB/T12190-2006《高性能屏蔽室屏蔽效能測(cè)量方法》，對(duì)機(jī)柜電磁屏蔽效能做測(cè)試。試驗(yàn)前，將激光場(chǎng)強(qiáng)探頭放置于3 m法改進(jìn)型半電波暗室轉(zhuǎn)臺(tái)中心，分別使用3種不同頻帶天線在距離激光場(chǎng)強(qiáng)探頭3 m、高度1.8 m位置進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)照射，得到30 MHz～3 GHz場(chǎng)強(qiáng)a0（dBμV/m）；后將機(jī)柜放置在轉(zhuǎn)臺(tái)中心并充分接地，場(chǎng)強(qiáng)探頭放在柜內(nèi)相同位置，在相同位置進(jìn)行照射，場(chǎng)強(qiáng)為a1（dBμV/m），機(jī)柜的屏蔽效能為as=a0-a1（dB）[10]。

圖4 機(jī)柜電磁屏蔽效能測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.4 The test data of the electromagnetic shielding effectiveness of the cabinet

圖5 遠(yuǎn)程控制界面Fig.5 Remote control interface

3個(gè)機(jī)柜柜體選材、開(kāi)孔處理、電磁屏蔽條做工不同導(dǎo)致屏蔽效能存在差異。由圖4機(jī)柜電磁屏蔽效能測(cè)試數(shù)據(jù)分析，2#機(jī)柜在各個(gè)頻段內(nèi)符合指標(biāo)要求，1#、3#機(jī)柜在高頻段不能達(dá)到指標(biāo)要求。

4 智能控制

控制界面軟件設(shè)計(jì)基于Python及其工具設(shè)計(jì)與集成。恒溫機(jī)柜的遠(yuǎn)程控制是基于EPICS進(jìn)行構(gòu)建的，由一臺(tái)X86作為IOC（Input/Output Controller）控制器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫機(jī)柜過(guò)程量的訪問(wèn)控制，IOC運(yùn)行EPICS系統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)核與過(guò)程控制數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制量，并獲取恒溫機(jī)柜運(yùn)行參數(shù)[11]。上層控制終端通過(guò)LAN訪問(wèn)IOC中的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄值，并使用設(shè)計(jì)的圖形化控制界面程序?qū)崟r(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能恒溫機(jī)柜為SHINE裝置定向研發(fā)，具有高精度恒溫、高電磁屏蔽、遠(yuǎn)程智能控制等性能。設(shè)計(jì)了3種不同風(fēng)道原理的機(jī)柜，搭建的恒溫測(cè)試平臺(tái)對(duì)3臺(tái)機(jī)柜進(jìn)行恒溫性能測(cè)試。測(cè)試表明水冷設(shè)計(jì)原理可行，豎向順時(shí)針風(fēng)道設(shè)計(jì)最為合理。在電磁屏蔽效能測(cè)試中對(duì)比了3個(gè)機(jī)柜EMC質(zhì)量，由于機(jī)柜的做工和細(xì)節(jié)處理不同，呈現(xiàn)出不同的電磁屏蔽曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明2#機(jī)柜的電磁屏蔽效果最好。在智能性上，機(jī)柜可通過(guò)PID溫度控制反饋，調(diào)整機(jī)柜的風(fēng)量，讓機(jī)柜保持高度穩(wěn)定，且機(jī)柜溫度和開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)能在遠(yuǎn)程讀寫(xiě)，數(shù)據(jù)可通過(guò)網(wǎng)線遠(yuǎn)距離傳送，具有智能控制功能。

智能恒溫機(jī)柜的創(chuàng)新研發(fā)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)特種高精度、高性能機(jī)柜類(lèi)型的空白，成功的國(guó)產(chǎn)化也為SHINE裝置節(jié)約了建設(shè)成本費(fèi)用。同時(shí)，智能恒溫機(jī)柜可在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型高要求的大科學(xué)裝置和加速器裝置中應(yīng)用，具有市場(chǎng)推廣價(jià)值。