船舶電氣設備水冷系統研究與開發

李玉濤

摘 要：我國現階段的船舶電氣設備發展存在一些問題，尤其是在體積、功耗、散熱與噪音方面表現較差，這就為新技術的研發提供了空間。針對我國現階段船舶電氣設備的現狀，一種基于模塊化水冷版以及傳感與控制技術的船舶電氣設備水冷系統應運而生。文章就相關船舶電氣設備水冷系統的研究與開發進行探究，而通過相關研究結果表明，這種新型船舶電氣設備水冷系統，能夠有效的解決我國現階段船舶電氣設備中存在的種種問題。

關鍵詞：船舶電氣設備；水冷系統；研究與開發

中圖分類號：TM761.12 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0026-02

在船舶電氣設備領域，隨著相關電氣元器件與芯片技術的不斷進步，其相關元器件與芯片的能耗與發熱功率也在隨之增長。在船舶電氣設備中，其相關元器件與芯片的散熱情況與其表面溫度的均勻性，對于船舶電氣設備的正常使用有著極為重要的影響。我國船舶電氣設備通常采取風扇散熱法，但風扇散熱法因其有著散熱極限，滿足不了日益增長的船舶電氣設備散熱需求，這就使得船舶電氣設備水冷系統有了其使用的必要性。

1 船舶電氣設備水冷系統的優點

與傳統的船舶電氣設備風扇散熱法相比，船舶電氣設備水冷法有著以下優勢：

①船舶電氣設備水冷法散熱效率高，較傳統風扇散熱法相比是其散熱效率的20倍以上。

②船舶電氣設備水冷法采用的冷卻劑的溫度更便于工作人員進行控制。

③運用船舶電氣設備水冷法，船舶電氣設備中的熱量不會排放到附近的空間中，避免了船舶電氣設備排放熱量互相影響的現象發生。

④船舶電氣設備水冷法采用的模塊、機架的結構尺寸較小，重量也同樣較輕，節約了船體空間。

⑤船舶電氣設備水冷法采用的通常為液冷冷板，能夠最大限度減小溫度的波動，提供比較低的熱阻通路[1]。

2 船舶電氣設備水冷系統在國內的應用現狀

在船舶電氣設備外，水冷散熱系統已在諸多行業進行了應用，并取得了極為不錯的應用效果，例如，在筆記本電腦的散熱中、坦克發動機的散熱中、煉鋼行業的散熱、軍用雷達的散熱中等。

3 船舶電氣設備水冷系統的構成及工作流程

3.1 船舶電氣設備水冷系統構成

在船舶電氣設備水冷系統中，大功率電氣設備本體、水冷板、循環水系統、熱交換器、監控與保護裝置以及管路附件，是最典型的船舶電氣設備水冷系統的組成部分[2]。

3.2 船舶電氣設備水冷系統工作流程

在船舶電氣設備水冷系統的工作流程中，其主要按照：在船舶水冷系統啟動時，水冷系統內的循環水將低溫的冷卻水送到船舶電氣設備內部，并通過低溫的冷卻水帶走船舶電氣設備產生的大量熱量，吸收熱量后低溫的冷卻水的溫度升高，溫度升高的熱水流流入船舶電氣設備水冷系統的熱交換器，并在其內部進行強制降溫，變為冷卻水并重新通過船舶電氣設備水冷系統的水循環系統進入補給箱內，準備進入下一輪的船舶電氣設備降溫，工作的全過程，如圖2所示[3]。

4 船舶電氣設備水冷系統設計

4.1 船舶電氣設備水冷系統的主要參數計算

在船舶電氣設備中，功率元件有效功率輸出比其他工作所需的輸入功率小的多，但在船舶電氣設備水冷系統的主要參數計算中，我們只采用總耗散功率。在對船舶電氣設備總耗散功率的計算中，如果其電源裝置為50 kVA，通過計算我們可以得知其耗散的功率大約在5 kVA左右。

4.2 船舶電氣設備水冷系統的水冷版設計

通過上文我們可知，在船舶電氣設備水冷系統中，水冷版是其不可或缺的重要組成部分，是其散熱工作進行的基礎。在船舶電氣設備水冷系統中，水冷版這一重要部件的性能優劣將直接影響船舶電氣設備水冷系統的整體散熱效果。

在船舶電氣設備水冷系統中，水冷板一般與IGBT、低感母排等部件一起模塊化安裝，并通過在彼此的接觸面涂覆導熱硅脂的方式，最小化水冷板與IGBT元件的熱阻。所以在船舶電氣設備水冷系統中，水冷板不僅是整個模塊的安裝集體，更要負擔起為IGBT元件散熱的作用。

4.3 船舶電氣設備水冷系統的主、支管路系統設計

在船舶電氣設備水冷系統中，其柜體進出的出水管采用的是上下平行放置的方式，在這其中，出水管一般置于進水管上部，通過這種水管的放置方式，符合了船舶電氣設備水冷系統中熱量向上走的要求。在船舶電氣設備水冷系統中的主管上的各種支管中，每個支管都設有通過遙控開啟與關閉水流的電業球閥，這種電業球閥的安裝對于船舶電氣設備水冷系統中水管有著極為不錯的維護效果。此外，在船舶電氣設備水冷系統水管的各支路中，其按照電源裝置進行具體劃分，且采用并聯的方式依附在船舶電氣設備水冷系統的主水管中，并在工作時使用分配器，將冷卻水分流到船舶電氣設備水冷系統中需要冷卻的發熱功率元器件內部。

4.4 船舶電氣設備水冷系統的管路排水、脫氣、穩壓設計

在船舶電氣設備水冷系統中，液體泄漏的問題一直是相關研究人員的面臨的難題，在本研究的船舶電氣設備水冷系統中，船舶電氣設備水冷系統的管道系統處設有特殊設計的脫氣裝置與自動排氣閥，這種特殊構造的設計能夠自動并有效的進行汽水分離與排氣等功能，能夠使船舶電氣設備水冷系統保證最少的液體泄漏。而在循環管路處，本設計中設有氣囊膨脹罐、氣泵以及電磁閥組成的船舶電氣設備水冷系統穩壓系統，當船舶電氣設備水冷系統中因種種原因造成系統壓力偏低時，氣泵會自動對船舶電氣設備水冷系統中的氣壓進行補充，并以此保證船舶電氣設備水冷系統管路的壓力恒定與冷卻水的充滿[5]。

4.5 船舶電氣設備水冷系統的防露設計

在船舶電氣設備水冷系統中，相關元器件的結露也將大大影響船舶電氣設備相關散熱。針對這種情況，船舶電氣設備水冷系統應通過對電源裝置內的溫度、濕度進行實時監控的方式，保證電源裝置內的溫度始終高于露點溫度，從而保證并增強電源裝置內元器件的絕緣性能與其可靠性。

5 船舶電氣設備水冷系統的試驗與應用

我們采用風冷試驗機柜與液冷試驗機柜進行試驗，對二者的性能進行對比。在這其中風冷試驗機柜總熱工耗為10 kW，液冷試驗機柜的總熱工耗為50 kW，兩者的均采用五塊制冷板，且外形相同。

5.1 船舶電氣設備水冷系統與風扇散熱系統的散熱效能 試驗

從實驗數據我們可以得知，液冷試驗機柜的總熱工耗為 50 kW，而風冷試驗機柜總熱工耗為10 kW，從現代化的電子設備集成化思路進行考慮，一個液冷試驗機柜的熱功消耗量應等于五個風冷試驗機柜的熱功消耗量。而從整個系統來看，風冷試驗機柜在具體使用中需要風機與空調的配合，而液冷試驗機柜則需要液冷源的配合，通過具體對比我們可以知道液冷源的大小遠遠小于風機與空調的大小，由此可見，在船舶電氣設備的具體散熱中，運用船舶電氣設備水冷系統所需的體積遠遠小于船舶電氣設備風扇散熱法所需的體積[6]。

5.2 船舶電氣設備水冷系統與風扇散熱系統的能耗對比

從實驗的基本資料中我們可以得知，在風冷試驗機柜的使用中，其主要是由自身的模擬熱源、風機與空調裝置產生耗電。而在液冷試驗機柜的使用中，其主要是模擬熱源耗電、水泵耗電以及冷卻用水產生耗電。根據我們采用的實驗數據，對于 50 kW的熱功耗，經過相關計算可知，風冷試驗機柜用電102 kW，而液冷試驗機柜則需要55 kW。

5.3 船舶電氣設備水冷系統與風扇散熱系統的熱能效應 對比試驗

在具體試驗中，我們先對液冷試驗機柜進行試驗，將液冷試驗機柜的總功率設定到固定的50 kW，待其監測溫度穩定后，進行相關監測與實驗；再使用風冷試驗機柜進行試驗，將其的總功率達到設定到10 kW，待其監測溫度穩定后，進行相關監測與實驗，我們可以從監測的溫度直觀的看吃兩者的散熱效果差別。

經過具體試驗得知，液冷試驗機柜的溫度低于風冷試驗機柜10 ℃左右，由此可見船舶電氣設備水冷系統的實用性。

5.4 船舶電氣設備水冷系統與風扇散熱系統的噪音對比 試驗

在對液冷試驗機柜與風冷試驗機柜進行噪音試驗中，我們將液冷試驗機柜與風冷試驗機柜放置在一密閉的房間中，分別對二者進行啟動試驗，并通過安放在房間內部的噪音測試設備進行噪音的對比[7]。

實驗結果表明，在噪音測試中，液冷試驗機柜比風冷試驗機柜產生的噪音要低6 dB，由此可見，船舶電氣設備水冷系統對噪音的降低作用。

6 結 語

針對我國現階段船舶電氣設備風扇散熱系統體積大、功耗高、噪音高等問題，本文對新型船舶電氣設備水冷系統進行研究，并與風扇散熱系統進行了試驗對比。從試驗結果可知，船舶電氣設備水冷系統的穩定性、冷卻效率、對噪音的降低程度等都要遠遠優于船舶電氣設備風扇散熱系統。

參考文獻：

[1] 桂永勝，謝坤，胡剛義，等.船舶電氣設備水冷系統研究與開發[J].機電工 程，2015，（12）.

[2] 盧森微.基于虛擬現實的船舶電站仿真訓練系統的研究[D].鎮江：江蘇 科技大學，2014.

[3] 王博東.基于PLC和組態軟件的水冷監控系統的設計實現[D].北京：中 國科學院大學，2014.

[4] 倪玉平.基于CLIPS的船舶電力系統故障診斷專家系統研究[D].武漢：

武漢理工大學，2013.

[5] 吳斐文.海洋工程船舶電氣系統和設備的現狀及展望[J].船舶，2011，（4）.

[6] 梁星星.艦船交流電力推進系統理論研究及其電磁兼容性研究[D].武 漢：華中科技大學，2006.

[7] 桂永勝，謝坤，胡剛義，等.船舶電氣設備水冷系統研究與開發[J].機電工 程，2015，（12）.