船舶電氣設備高效冷卻方案設計

謝 坤，雷 毅

(1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；2. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；3. 海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北 武漢 430064)

船舶電氣設備高效冷卻方案設計

謝 坤1,2，雷 毅3

(1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；2. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；3. 海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北 武漢 430064)

針對船舶電氣設備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，將氣液交換器、液冷板、熱管等應用到船舶電氣設備高效冷卻系統中。對該系統的工作流程進行分析，建立電氣設備本體、高效冷卻系統和監控與保護裝置之間的關系，提出船舶電氣設備高效冷卻方案。在聯調試驗和船舶電氣設備上對該高效冷卻方案進行實際應用，結果表明：該系統可提高船舶電氣設備的功率密度、穩定性、冷卻效率及噪音水平。

船舶電氣設備；高效冷卻方案；氣液交換器；液冷板

0 引 言

隨著科學技術的進步，氣液交換器、液冷板、熱管等高效冷卻方案在各行各業的應用十分廣泛，如空調、汽車、拖拉機、坦克的發動機散熱，醫療設備、臺式電腦和筆記本電腦的高端 CPU 散熱，煉鋼行業、加速器的散熱。

2005 年，由南車株洲所開發的大功率機車牽引水冷變流器中集成式冷卻塔、水冷板和換熱器成功解決了變流器的散熱問題。2008 年 9 月，臺灣奇菱公司開發了全球首款液冷投影機。近年來，雷達、電子對抗燈設備的數據工作站廣泛應用液冷機箱，用于高端CPU、大功率集成電路板的散熱[1, 2]。

20 世紀 90 年代以來，德國、法國、瑞士等國相繼開展變頻器水冷技術的研究，并已開始在大功率變頻器或者中、小功率自冷不能滿足要求的場合廣泛應用。日本福島和隆文在 1998 年首次在日本新干線電動車組主變流裝置領域采用水冷系統[3, 4]。

僅從應用場合來看，國內外正在各行各業應用成熟的電氣設備高效冷卻技術，我國船舶電氣設備高效冷卻領域還有一定應用差距。

隨著船舶電氣設備體積的不斷變小和性能、速度的不斷提高，電子元器件及芯片的能耗和發熱功率也越來越大，直接影響到電氣設備的工作性能。而且電氣設備散熱量是船舶艙室的主要熱負荷之一，直接影響通風空調系統和水冷系統的設計能耗、制冷量、風量等參數。

本文研究針對船舶電氣設備體積大、功耗高、散熱差、噪聲高等問題，梳理船舶艙室熱負荷現狀，開展基于氣液交換器、液冷板、熱管等方式的船舶電氣設備高效冷卻方案設計，并在控制臺和電源裝置等典型電氣設備上開展實際應用方案設計，以滿足船舶電氣設備的在功率密度、穩定性、冷卻效率及噪聲等方面要求。

1 主要熱負荷現狀分析

船舶長時航行時，深入分析設備的熱耗功率、每天平均工作時間，清理出主要的長期連續運行且發熱量較大的需重點控制設備主要有以下 3 類：

1）電加熱類，如電灶、電煎鍋、電暖器、電茶桶、電茶壺、電加熱器等；

2）輔機電動機類，如淡水泵電動機、推進電機和軸系海水冷卻泵電動機、冷水機組電動機、空調冷卻水泵電動機、軸系滑油泵電動機等；

3）電源類，如逆變裝置。

針對這些長期連續運行且發熱量較大的需重點控制設備，缺乏散熱指標控制，且一般采用風冷形式，成為艙室空氣溫升的主要熱源，實質增加了空調耗電量。船舶設計時應結合設備的新研和改進，通過設備本身效率指標控制、采用節能型部件及控制原理等措施實現設備的熱負荷控制。

另一方面，集控艙電子機柜和顯控臺數量大幅增加，集控艙設備的熱耗功率、每天平均工作時間也會大幅增加。為此，熱耗比較集中的區域如廚房、集控艙、逆變電源艙、輔機電動機艙應考慮進行區域熱負荷集中控制。

2 主要高效冷卻方案

電氣設備的高效冷卻方式主要有氣液交換器式、液冷板式、熱管式等幾種，下面分別進行簡單介紹。每部分均分為設備內部方案、總體冷源方案、方案評價。

2.1 氣液換熱式冷卻方案

2.1.1 設備內部方案

氣液換熱式冷卻方案，即氣液熱交換器換熱冷卻設備內部空氣，通過風扇實現設備內部冷熱空氣循環，同時通過液體冷卻介質帶走熱交換器的熱量，從而達到不斷降低設備內部空氣溫度的目的。

如圖 1 所示，氣液熱交換器外桂于機柜側面，氣液熱交換器工作時，熱空氣從上部吸入，經過熱交換器降溫后變為冷空氣從下部排出，在風扇和熱交換器的共同作用下使機柜內的空氣在內部循環，從而達到降低機柜內部溫度的目的。

圖 1 水-氣熱交換器工作原理Fig. 1 Working principle of water air heat exchanger

2.1.2 總體冷源方案

氣液熱交換器供水可從全船水冷系統或空調冷媒水系統接入，同時對全船電氣設備高效冷卻方式的供水管路進行合理統籌與優化設計。但需對供水溫度進行適應性控制，供水壓力、流量需根據設備熱耗進行合理設計，并在氣液熱交換器供水管路入口對供水壓力、流量、溫度進行控制，在氣液熱交換器供水管路出入口對供水壓力、流量、溫度進行監測。

2.1.3 方案評價

氣液換熱式冷卻方案，由于主要方式為氣液換熱式散熱，風扇只是用于帶動機柜內空氣循環，選用的風扇功率可以很小，噪聲指標可以得以控制；而且密閉性能得到保證，風扇輻射到機柜外的噪聲很小。熱交換器的液體冷卻介質擬采用淡水。

由于氣液熱交換器的安裝需要占用設備的空間，降低了設備內寶貴空間的利用率。氣液換熱式冷卻方案主要針對一體化控制臺、一體化機柜開展專用設計，將氣液熱交換器安裝于一體化控制臺、一體化機柜取代原風扇散熱，提高了設備發熱元器件的散熱效率。

2.2 液冷板式冷卻方案

2.2.1 設備內部應用方案

所謂液冷板式冷卻方案，即液冷板通常與元器件一起模塊化安裝，液冷板內部通流體，通過流體的流動帶走元器件上產生熱量，達到高效散熱的目的。

如圖 2 所示，液冷板通常與元器件一起模塊化安裝，液冷板既承擔著元器件的散熱功能，同時又是元器件的安裝基體。液冷板一般由主板、背板、進出水嘴等零部件組成，內部流道設計成多通道結構，流道內部通流體，通過流體的流動帶走元器件上產生熱量，達到高效散熱的目的。多通道結構的液冷板由于通道數較多，液冷板臺面上各器件間的溫度可更容易控制均勻，散熱效率較高，并且采用水冷后所需的冷卻液流量會大大減少，因而通道內冷卻液流態多控制在層流范圍內。

如圖 3 所示，液冷機箱機箱首先滿足在相關機械性能和環境性能要求下正常運行，實現信號的傳輸；還要實現電子元器件的散熱功能，通過液體在機箱背板和板卡模塊循環，最后流出機箱帶走板卡上電子元器件產生的熱量，達到高效散熱的目的。

2.2.2 總體冷源方案

液冷板供水可從全船水冷系統接入，同時對全船電氣設備高效冷卻方式的供水管路進行合理統籌與優化設計。但需對供水溫度進行適應性控制，供水壓力、流量需根據設備熱耗進行合理設計，并在氣液熱交換器供水管路入口對供水壓力、流量、溫度進行控制，在氣液熱交換器供水管路出入口對供水壓力、流量、溫度進行監測[5, 6]。

2.2.3 方案評價

液冷板式冷卻方案針對電氣設備發熱元器件開展模塊化設計，便于與電氣設備發熱元器件進行模塊化安裝，不降低設備內寶貴空間的利用率，也利于電氣設備元器件的綜合保障，而且不影響電氣設備的選用，是比較通用的水冷應用方案。

圖 2 液冷板工作原理Fig. 2 Working principle of liquid cooling plate

圖 3 液冷機箱工作原理Fig. 3 Working principle of liquid cooling box

2.3 熱管式冷卻方案

2.3.1 設備內部方案

熱管式冷卻方案，即封閉的管殼中充以工作介質，利用工作介質的相變吸熱和放熱進行熱交換的高效換熱，熱管的導熱能力超過任何已知金屬。

如圖 4 所示，熱管工質（冷凝液）在蒸發段吸熱蒸發；蒸汽在小壓差推動下流向冷凝段；在冷凝段，蒸汽工質向外放出熱量，冷凝成液體；冷凝液在吸液芯毛細力的推動下回流至蒸發段，重新開始循環。

不管總體冷源如何配置，設備內部熱管結構形式基本一致，針對不同總體冷源方案熱管在耐壓等級方面需要重新考慮。

2.3.2 總體冷源方案

1）舷外熱管式冷卻方案

如圖 5 所示，舷外熱管式冷卻方案采用分離式熱管換熱器結構，由蒸發段和冷凝段、中間兩相流道及相關支承裝置組成。在耐壓殼體上開 2 個孔，分別連接蒸汽管和冷凝管。通過舷外海水自流冷卻冷凝段。為了減少熱管流阻，設備建議集中布置在舷側。

2）舷內熱管式冷卻方案

圖 4 熱管工作原理Fig. 4 Working principle of heat pipe

圖 5 舷外熱管工作原理Fig. 5 Working principle of heat pipe outside

如圖 6 所示，舷內熱管式冷卻方案將蒸發端安裝在設備里面，與設備發熱元器件做成一體，或者通過集熱器將發熱元器件的熱量集中至蒸發端；將冷凝端安裝在設備外側，冷凝端和蒸發端通過管道連接，管道在設備外殼處密封處理。最后將全船水冷系統或空調冷媒水系統接入并通過冷凝端，由冷卻水將熱量帶走。

3）舷內熱管耐壓殼體貼合式冷卻方案

如圖 7 所示，舷內熱管耐壓殼體貼合式冷卻方案將蒸發端安裝在設備里面，與設備發熱元器件做成一體，或者通過集熱器將發熱元器件的熱量集中至蒸發端；將冷凝端貼合耐壓殼體，冷凝端和蒸發端通過管道連接，管道在設備外殼處密封處理。通過耐壓殼體冷卻冷凝段，舷外海水自流帶走耐壓殼體的熱量。為了減少熱管流阻，設備建議集中布置在舷側。

2.3.3 方案評價

舷外熱管式、舷內熱管式、舷內熱管耐壓殼體貼合式冷卻方案均具有傳熱效率高、無功耗、無振動噪聲的優點。

熱管外殼真空部分制造工藝復雜、成本高、難度大、加工受到限制，不能有很大的彎曲或折角。一旦管子損壞或破裂時，將引起冷卻系統無法工作。

此外，舷外熱管式冷卻方案存在附著海生物、對非聲物理場有一定影響等風險，而且管冷卻系統的安裝需要在耐壓殼體上開孔，對耐壓體的安全性不利；舷內熱管耐壓殼體貼合式冷卻系統的熱管安裝在耐壓殼體上，需要對耐壓殼體進行破壞性施工，這對耐壓體的安全性不利。

圖 6 舷內熱管工作原理Fig. 6 Principle of heat pipe inside

圖 7 舷內熱管貼合耐壓殼體工作原理Fig. 7 Working principle of Heat pipe fitting pressure shell

2.4 方案對比

從冷卻效率、能耗、振動噪聲、體積重量、安全性、技術成熟度等方面，對液冷板式冷卻方案、氣液換熱式冷卻方案、熱管式冷卻方案等幾種主要冷卻方案進行對比（見表 1）。

液冷板式冷卻方案針對電氣設備發熱元器件開展模塊化設計，便于與電氣設備發熱元器件進行模塊化安裝，不降低設備內寶貴空間的利用率，也利于電氣設備元器件的綜合保障，而且不影響電氣設備的選用，是比較通用的水冷應用方案。

由于氣液熱交換器的安裝需要占用設備的空間，降低了設備內寶貴空間的利用率。氣液換熱式冷卻方案主要針對一體化控制臺、一體化機柜開展專用設計，將氣液熱交換器安裝于一體化控制臺、一體化機柜取代原風扇散熱，提高了設備發熱元器件的散熱效率。

由于熱管外殼真空部分制造工藝復雜、成本高、加工受到限制，待技術成熟后可推廣應用。

對電氣設備等獨立設備建議采用液冷板式冷卻方案開展相關優化改進工作，對一體化控制臺、一體化機柜等設備可采用水-氣熱交換器應用方案開展相關優化改進工作。

通過開展逆變裝置水冷模擬裝置原理樣機、水冷一體化控制臺原理樣機的研制，電氣設備高效冷卻方式已具有較高的技術成熟度水平。因此，提出的電氣設備高效冷卻方式均具有一定的可行性。

除噪聲、散熱性能、功耗、密封等問題需綜合平衡、可靠性需充分驗證以外，后續需深入開展噪聲、散熱性能、功耗、密封試驗研究與優化。

總體來說，電氣設備高效冷卻方式有其顯著的散熱效果，如果能夠合理地設計和布置散熱系統，做好液冷板及管道材料的選型工作，解決好散熱系統的漏水、絕緣等安全問題，那么把高效冷卻方式應用于電氣設備的散熱系統將是一個較為理想的選擇。

3 典型應用方案

3.1 氣液換熱式冷卻應用方案——控制臺水冷方案

3.1.1 設備內部方案說明

典型控制臺水冷系統由水氣熱交換器、散熱風扇、溫控裝置等部分組成，如圖 8 所示，控制臺采用水、氣聯合散熱，加固機下面采用托板固定，水、氣熱交換器安裝在最右邊，航插等外接口件布置在最右面靠下部位。控制臺水冷系統含進水管接口 1 個，出水管接口 1 個，冷凝液導出口 1 個。

在臺內安裝水-氣熱交換器 1 臺，裝于臺內最右邊。通過外部水循環，進冷水，出熱水。通過內部氣循環的方式，采用吸收臺內熱空氣、吹出冷空氣的方式對臺內環境溫度降溫以達到散熱的效果。在臺內配備溫控器 1 個，設置溫度在 40 ℃，當臺內溫度達到 40℃ 時水-氣散熱器開始工作，另臺內配備散熱風扇 2臺，作為應急使用[7, 8, 9]。

3.1.2 效果評估

由于控制臺內機箱、元件等散熱只在控制臺內部氣循環，而不會直接散發到艙室空氣中，但是經由臺體結構仍會由少量熱量傳遞出去，因此，控制臺采用水冷技術后，其向艙室空氣的散熱量可減少 30%～50%。

另外，當水冷部分因故障無法正常運行時，控制臺內的散熱量也可通過氣循環通道直接進入艙室，從而轉變成風冷形式，保障了控制臺的運行可靠性。

表 1 幾種主要冷卻方案對比Tab. 1 Comparison of several main cooling schemes

3.2 液冷板式冷卻應用方案——電源裝置水冷方案

3.2.1 設備內部方案說明

典型電源裝置水冷系統由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、和管路附件。電源裝置水冷系統組成示意如圖 9 所示。典型電源裝置水冷結構如圖 10 所示。

電源裝置水冷系統工作時，循環水系統將低溫冷卻水傳送到大功率電源裝置本體內，冷卻水經 T 流體連接器進入機柜，由水分配器把冷卻水經流體連接器分流至各水冷板，在水冷板流道內循環流道后匯流至另一水分配器，再經流體連接器流出機柜。電源裝置內冷卻水循環流動過程中，冷卻水帶走模擬熱源散發的熱量，溫度升高后的熱水流向熱交換器，在熱交換器內強制降溫，變成低溫循環水排出，流回循環水系統的補給箱內[10–14]。

3.2.2 效果評估

1）散熱能力大大提高

水的比熱、導熱系數均比空氣大，相同環境條件下水冷的散熱能力較風冷將大為提高。同時，冷卻液直接與顯控臺計算機、顯示器接觸，使得散熱更快，效率更高。

2）有利于總體振動噪聲控制

水冷系統的噪聲源主要來自于管路循環流動噪音，有利于減少風冷散熱過程中空調系統及其風機、冷卻水泵等機械設備的運轉，產生的振動、噪音相對較小。

圖 8 控制臺水冷方案Fig. 8 Water cooling scheme of console

圖 9 典型電氣設備水冷系統組成Fig. 9 Water cooling system of typical electrical equipment

圖 10 典型電氣設備水冷機柜結構Fig. 10 Water cooled cabinet structure of typical electrical equipment

4 結 語

本文研究針對船舶電氣設備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，首先，梳理了船舶艙室熱負荷現狀，清理出了主要的長期連續運行且發熱量較大的設備（如電加熱類、輔機電動機類、電源類設備）和區域（如廚房、集控艙、逆變電源艙、輔機電動機艙）；其次，從設備內部、總體冷源方面分析了氣液交換器、液冷板、熱管等高效冷卻方式的優缺點；最后，對船舶電氣設備高效冷卻方案進行對比，并在控制臺和電源裝置等典型電氣設備上開展實際應用方案設計。結果表明，船舶電氣設備采用高效冷卻方案可提高其功率密度、穩定性、冷卻效率及噪音水平，對保證船舶電氣設備的安全性、可靠性、優質性和經濟性具有深遠意義。

后續將進一步吸收氣液交換器、液冷板、熱管等高效冷卻方案在各行各業的應用成果，并大力開展和推廣船舶電氣設備采用高效冷卻方案的實船應用和試驗研究。

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High-efficient cooling scheme designed for ship electrical equipment

XIE Kun1,2, LEI Yi3
(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;
2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 3. Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Aiming at the problem of large volume, high power consumption, poor heat dissipation, high noise for ship electrical equipment, modular water-cooled plate, sensing and control unit were applied into the water cooling system of ship electrical equipment. After the analysis of this working flow, the relationship among the electrical equipment body, the circulating water system and the monitoring and protection device was established. The cooling method of ship electrical equipment was put forward. The system was applied in kinds of experiments and ships, the results indicate thatThe system can improve power density, stability, cooling efficiency, noise level.

ship electrical equipment；water cooling system；modular water-cooled plate；sensing and control Unit

TN830.5

A

1672–7619(2016)12–0110–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.022

2016–04–05；

2016–06–03

國家自然科學基金資助項目(61501419)

謝坤(1986–)，男，研究生，工程師，主要從事船舶電氣自動化方面的研究。