樊丽伟，余鹏翔，金 林，丁建国

（中国科学院上海高等研究院，上海 201204）

0 引言

硬X射线自由电子激光装置（Shanghai High Repetition Rate XFEL And Extreme Light Facility，简称SHINE），是国内迄今为止投资最大的科技基础设施项目，也是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划重点项目。它的建成能够为多学科提供尖端的科研手段，极大提高国内基础科研水平。

SHINE全长3.1 km，位于地下30 m的隧道中。装置运行期间隧道环境相对密闭，磁铁、采集等设备对环境温度稳定性要求极高。然而，柜内电子学设备对放置空间的温度变化也非常敏感，温度细微变化会引起数据采集不准确等一系列问题。而电子学设备自发热使得机柜在隧道中变成热源，这就要求机柜必须进行自散热且热量不能传导到隧道空气中，避免引起隧道内环境温度的变化。柜内外时刻保持温度稳定，减少温度变化，需具有散热、保温、稳定的三重性能。SHINE隧道存在复杂磁场，为保证机柜内精密的电子器件少受环境电磁干扰，机柜需具有电磁屏蔽效能。装置运行期间隧道内存在大量电离辐射，人员无法进入本地操作，要求机柜具有远程状态监控和控制功能。隧道内设备摆放空间有限，机柜内冷却模块必须少占用柜内空间，以满足设备安装需求。综合以上因素，如何有效地监控机柜状态，保持恒温和电磁屏蔽效能，成了装置能否稳定运行的关键因素之一，亟需研发一种能够适应各种使用要求的机柜。然而，此种高性能的特种机柜，在国内市场上并无类似产品。

调研国外的同类装置中，例如欧洲自由电子激光装置（European-XFEL），在隧道内同样使用高精度水冷式机柜。虽然加以改造能够满足使用要求，但从国外进口价格将十分昂贵，加上贸易和疫情因素导致海外供货周期长，难以满足安装需求。如改机柜产品国产化，即可解决此工程难题。

1 恒温机柜研制

1.1 换热方式

SHINE装置隧道内布置充足水冷却，同时参考国外同类型装置电气机柜冷却模式，本机柜采用水冷式设计方案。机柜内部除进出线口外全部密封，强制对流换热[1]。水冷散热方式具有散热能力强、散热效率高、能耗低以及可实现余热回收利用等优点，弥补了传统空调冷却方式散热能力和效率不高、耗电量大，以及易发生局部过热现象等多方面的不足[2]。根据SHINE隧道内整体布局，将机柜换热功率定位在1kW。

1.2 换热计算

柜内设备运行稳定后，散热量达到相对恒定值，设置固定温度和流量的冷却水，通过水热交换器进行热量交换将柜内热量带出。机柜内部进行密封式强制风冷循环，可同时达到散热和恒温效果。

式（1）中：Qwater—机柜换热量；Cp.water—水的比热；Mwater—冷却水质量；Δtwater—冷却水温升。

当机柜冷却水流量设置为5 L/min时，机柜内热源为1 kW，稳定1 h后换热量为1kW·h。设风扇换热效率达到100%时，冷却水回水理论温升2.86℃。而实际产品的换热效率约90%左右，回水温度约3.2℃。分析计算表明，水冷散热模式可行且回水温升在可接受范围内，符合工程使用要求。

图1 机柜风道设计Fig.1 Cabinet air duct design

1.3 温度精度和智能控制

机柜内外温度精度控制关键在于水冷模块风扇运行的控制。在机柜内设备数量不变，长时间运行达到稳定状态后，发热量是稳定的。冷却水带走柜内热量时，热量转移也是稳定的，能够引起柜内温度不均匀或者变化的就是水冷交换器的风扇运转。试验表明，风扇的不同转速对机柜内部的温度变化影响很大。恒温机柜的温度精度控制采用PID算法，在机柜内部不同位置设置多组温度探头监测机柜内温度，通过PID温度反馈体系对风扇转速进行微调控制，进而调整柜内冷风循环，保证机柜内部温度精度，温度数据可向中控传输和反向控制，达到智能要求[3]。

机柜对外散热不能避免地通过机柜面板向外散热，而要求机柜内热量尽量少地传递到环境中，就必须在机柜内部设计保温层。恒温机柜采用高隔热性能的软保温棉，在机柜结构框体内压边粘贴，使机柜整体处于隔热状态。

1.4 风道设计

在散热模式和温度精度控制方式确定后，还有柜内的风道设计能够影响机柜内整体的恒温性能。在研发过程中，设计了3款不同风道方向的产品，设计原理如图1，以对比不同风道对机柜内部性能的影响，选择最合适的风道模式。

1#机柜采用机柜侧夹板水冷原理，风道水平横向循环。机柜左右两个侧板夹层空间有限，各布置一套长且薄的铜制水冷换热器，在机柜侧板靠近后门两侧，自上而下均匀布置12个小型吸风风扇，共24个风扇，冷风从侧板靠近前门两侧吹出，使冷风在柜内横向循环，控制器模块布置在机柜顶部，水冷管路在机柜底部汇总[4]。横向风道使得柜内每层温度均匀，在竖直方向上可能存在温度梯度。

2#机柜采用前底部水冷原理，长方体型换热器嵌入机柜底部，机柜前门底部装配一个变频风扇，向前门方向吹冷风，通过前门板和层板引导，机柜后底部自然回风，形成竖向顺时针风道[5,6]。由于大多数设备散热口在机柜后部，换热器可直接将热风吸入，在前门区域吹出冷风，冷风透过设备层间隙及侧板风道向后部扩散，形成冷风通道的良性循环，设备始终处于冷风保护区域。

图2 1.0 kW加热负载恒温试验数据Fig.2 1.0 kW heating load constant temperature test data

图3 592.3 W加热负载恒温试验数据Fig.3 592.3W Heating load constant temperature test data

3#机柜采用后底部水冷原理，同样是长方体型换热器嵌入机柜底部，区别在于机柜后门底部安装两个小风扇，向后吹冷风，冷风沿着机柜后门扩散，与设备散热热气直接在机柜后部进行交汇，热风在机柜前门底部自然回风，在机柜内部形成竖向逆时针风道。

1.5 电磁屏蔽设计

在SHINE特殊的使用环境下，高性能电磁屏蔽柜对于机柜的加工细节、接缝电磁处理要求极高。在机柜门缝处压边包裹EMC胶条，减少开孔数量和尺寸，仅在机柜顶板和底板开进出线孔，水管孔和电缆孔均采用导电泡棉，增加机柜的导通性能，机柜供电增加滤波器[7]。

2 技术指标

在散热性能方面，要求在内部运行电子学设备发热功率1 kW内，柜内温度相对环境温升小于10℃，柜外温度相对环境温升小于1℃，机柜内外表面温度均匀温度变化在±0.2℃范围内。由于机柜处于地下30 m隧道中，水冷换热器要求承受1.0 Mpa压力。电磁屏蔽性能按《结构件电磁兼容设计规范》内屏蔽效能≥C级，即30 MHz～230 MHz频段范围内屏蔽效能大于40dB；在230 MHz～1000 MHz频段范围内屏蔽效能大于30dB。机柜采用Modbus/TCP通讯协议和Ethernet接口[8]，具有远程监控通讯功能，在中控机房显示柜内实时温度、冷却水流量等信息，远程控制机柜开关。

3 恒温机柜测试

3.1 恒温测试平台

为验证不同风道设计机柜的恒温性能，搭建一套测试平台。使用可调节压力、流量、温度的水冷机组模拟隧道内冷却水源，可同时为3台机柜提供冷却水，在回水管路上安装流量传感器和温度传感器，测量机柜流量和回水温度。试验中冷却水流量设置为5 L/min，压力1.0 MPa左右，供水温度设置与环境温度相同。为消除不同厂家机柜自带温度探头的检测误差，统一安装温度检测系统。选取机柜内外侧壁上中下的各3个点，共6个点粘贴温度探头，3台机柜温度探头布置在同一位置消除位置差别影响；设置1个环境监测温度探头，与环境温升差值情况判断是否符合技术指标。通过网线将机柜控制器与测试平台联接，可在平台上读写机柜开关状态、柜内温度、启动温度、报警温度、风扇转速等信息，同时采集18个机柜内外温度探头、3个机柜回水温度及1个环境温度数据。

表1 电磁屏蔽测试设备Table 1 Electromagnetic shielding test equipment

3.2 恒温测试结论

分别使用1.0 kW点式热源和真实散热设备（网络交换机、电源控制箱、串口服务器等约28 U，共592.3 W）作为加热器，在冷却水供水温度30℃，流量5 L/min工况下，运行稳定后，记录柜内外最高最低温度、机柜控制器显示温度、回水温度，与环境温度相比计算温升，以温升情况判断3种不同风道设计机柜性能。1.0 kW加热负载恒温试验数据测试如图2，592.3 W真实设备加热负载恒温试验数据如图3。

通过两组试验对比3种不同风道设计机柜，1#机柜水平横向风道，散热绝热性能良好，但柜内小风扇过多导致温度控制不稳定，超过了±0.2℃的变化范围。2#机柜竖向顺时针风道，各项恒温性能优异。3#机柜竖向逆时针风道，采用点热源情况下恒温性能良好，但采用真实设备散热时柜内风道风阻变大，两个小风扇风压不足，冷风不能覆盖设备区域，散热能力大幅下降。综合以上分析，2#机柜风道设计更为合理。两种测试情况下，对回水温度进行测量，根据回水温升和散热计算，在1.0 kW点式加热源下，3个机柜的换热效率分别为66.5%、99.3%、92.2%；在592.3 W真实设备散热下，3个机柜的换热效率分别为48.3%、67.6%、84.5%，在此情况下3个机柜换热效率均有不同程度下降。工程使用中，真实设备散热比点热源更贴合实际情况，试验结果更具有代表意义[9]。

3.3 电磁屏蔽效能测试

柜内敏感设备在受到电磁干扰时可发生性能下降或功能失效故障，为保护柜内设备正常工作，参考《结构件电磁兼容设计规范》，机柜按照C级屏蔽效能（30 MHz～230 MHz 40dB；230 MHz～1000MHz 30dB）指标设计。根据GB/T12190-2006《高性能屏蔽室屏蔽效能测量方法》，对机柜电磁屏蔽效能做测试。试验前，将激光场强探头放置于3 m法改进型半电波暗室转台中心，分别使用3种不同频带天线在距离激光场强探头3 m、高度1.8 m位置进行场强照射，得到30 MHz～3 GHz场强a0（dBμV/m）；后将机柜放置在转台中心并充分接地，场强探头放在柜内相同位置，在相同位置进行照射，场强为a1（dBμV/m），机柜的屏蔽效能为as=a0-a1（dB）[10]。

图4 机柜电磁屏蔽效能测试数据Fig.4 The test data of the electromagnetic shielding effectiveness of the cabinet

图5 远程控制界面Fig.5 Remote control interface

3个机柜柜体选材、开孔处理、电磁屏蔽条做工不同导致屏蔽效能存在差异。由图4机柜电磁屏蔽效能测试数据分析，2#机柜在各个频段内符合指标要求，1#、3#机柜在高频段不能达到指标要求。

4 智能控制

控制界面软件设计基于Python及其工具设计与集成。恒温机柜的远程控制是基于EPICS进行构建的，由一台X86作为IOC（Input/Output Controller）控制器，通过网络接口实现对恒温机柜过程量的访问控制，IOC运行EPICS系统基础内核与过程控制数据库，实时调节控制量，并获取恒温机柜运行参数[11]。上层控制终端通过LAN访问IOC中的数据库记录值，并使用设计的图形化控制界面程序实时显示运行状态参数。

5 结语

智能恒温机柜为SHINE装置定向研发，具有高精度恒温、高电磁屏蔽、远程智能控制等性能。设计了3种不同风道原理的机柜，搭建的恒温测试平台对3台机柜进行恒温性能测试。测试表明水冷设计原理可行，竖向顺时针风道设计最为合理。在电磁屏蔽效能测试中对比了3个机柜EMC质量，由于机柜的做工和细节处理不同，呈现出不同的电磁屏蔽曲线，试验结果表明2#机柜的电磁屏蔽效果最好。在智能性上，机柜可通过PID温度控制反馈，调整机柜的风量，让机柜保持高度稳定，且机柜温度和开关数据能在远程读写，数据可通过网线远距离传送，具有智能控制功能。

智能恒温机柜的创新研发填补了国内市场特种高精度、高性能机柜类型的空白，成功的国产化也为SHINE装置节约了建设成本费用。同时，智能恒温机柜可在国内同类型高要求的大科学装置和加速器装置中应用，具有市场推广价值。