船舶電氣設備高效冷卻方案研究與應用

謝 坤

(1. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

船舶電氣設備高效冷卻方案研究與應用

謝 坤1,2

(1. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

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，提出了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了實際應用，研究結果表明：該系統提高船舶電氣設備的功率密度、穩定性、冷卻效率、噪音水平，保證了船舶電氣設備的體積、功耗、散熱、噪音優越性。

船舶電氣設備 冷卻 氣液交換器 液冷板 熱管

0 引言

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。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[1,2]。

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。風扇散熱是目前電氣設備冷卻使用得最普遍的形式。然而，隨著電子元器件發熱功率的迅速增長，風扇散熱器也隨之進行了改進，常規的方法是提高風扇的轉速和增大翅片的尺寸。但是這兩種方法都不能無限地增加風扇散熱器的散熱能力，而且增加風扇散熱器的空氣噪聲，風冷技術已不能滿足芯片日益增長的散熱要求。

相較于傳統的散熱方式，在電氣設備上采用高效冷卻方式具有以下優點[3,4,5]：

1）高效冷卻方式散熱效率高；

2）高效冷卻方式的溫度容易控制；

3）電氣設備內部模塊耗散的熱量不會排放到其所處的空間，避免了相互間的影響；

4）大功率電氣設備采用高效冷卻方式時，模塊、機架的結構尺寸較小，重量輕；

5）采用高效冷卻方式可以減小溫度的波動和循環，提供較低的熱阻通路。

對電氣設備采用高效冷卻方式散熱，不僅可以提高電氣設備工作的性能，而且能夠減少全船通風空調系統用電負荷用電量，減小對艙室空氣噪聲的影響，是節能減排降噪的有效措施。

1 主要熱負荷現狀分析

船舶長時航行時，長期連續運行且發熱量較大的需重點控制設備主要有三類：電加熱類、輔機電動機類、電源類。針對這些長期連續運行且發熱量較大的需重點控制設備，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實現設備的熱負荷控制。另一方面，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，下面分別進行方案研究與應用。

2.1 氣液換熱式冷卻方案

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，從而不斷降低設備內部空氣溫度[6]。

圖1 水-氣熱交換器工作示意圖及實物

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。

表1 氣液換熱式冷卻方案主要優缺點

氣液換熱式冷卻方案主要優缺點見表 1。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

液冷板式冷卻，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，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，通道內冷卻液流態多控制在層流范圍內[7]。

如圖3所示，液冷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，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。

圖2 液冷板工作示意圖

圖3 液冷機箱工作示意圖

液冷板式冷卻方案主要優缺點見表2所示。

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。

2.3 熱管式冷卻方案

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，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。

a）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。在耐壓殼體上開兩個孔，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。

b）舷內熱管式冷卻方案

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。

圖4 熱管工作示意圖

圖5 舷外熱管示意圖

圖6 舷內熱管示意圖

c）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。

表2 液冷板式冷卻方案主要優缺點

圖7 舷內熱管貼合耐壓殼體示意圖

熱管式冷卻方案主要優缺點見表3所示。

2.3 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4所示。

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[8]。

通過開展電源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 卻方式已較成熟，具有一定的可行性[9]。

表4 幾種主要冷卻方案優缺點

3 結束語

針對電氣設備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，對電氣設備采用高效冷卻方式，不僅可以提高電氣設備工作的性能，降低電氣設備產生的振動噪聲，而且能夠減少全船通風空調系統等用電負荷用電量，是節能減排的有效措施。但對電氣設備采用高效冷卻方式，會增加水冷部件的體積、重量，而且對水冷系統的可靠性提出了較高的要求。

開展電氣設備高效冷卻方案研究與應用時，應廣泛合作，在分析冷卻需求的基礎上，開展測量性設計，依據設備自身特性、布置艙室、運行工況等選擇合理的冷卻技術方案。

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Research and Application of Efficient Cooling System for Shipboard Electrical Equipment

Xie Kun1,2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Aimed at some questions such as large volume, high power consumption, poor heat dissipation, high noise of shipboard electrical equipment, the gas-liquid exchanger, cooling plate and heat pipe are applied to the efficient cooling system of shipboard electrical equipment. With the analysis of this working flow, the relationship among the electrical equipment bodies, the efficient cooling system and the monitoring and protection device are established. The efficient cooling plan of shipboard electrical equipment is put forward. The system is applied to kinds of experiments and ships. The results indicate that the system can improve power density, stability, cooling efficiency, and noise level, and it can also ensure the superiority of volume, power, heat and noise for ship electrical equipment.

shipboard electrical equipment; cooling; gas-liquid exchanger; cooling plate; heat pipe

TN830.5

A

：1003-4862（2017）02-0033-05

2016-10-09

謝坤（1986-），男，博士研究生，工程師。專業方向：舶電氣自動化方面。E-mail: nukeix@qq.com