李玉濤

摘 要：我國現(xiàn)階段的船舶電氣設(shè)備發(fā)展存在一些問題，尤其是在體積、功耗、散熱與噪音方面表現(xiàn)較差，這就為新技術(shù)的研發(fā)提供了空間。針對我國現(xiàn)階段船舶電氣設(shè)備的現(xiàn)狀，一種基于模塊化水冷版以及傳感與控制技術(shù)的船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。文章就相關(guān)船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的研究與開發(fā)進(jìn)行探究，而通過相關(guān)研究結(jié)果表明，這種新型船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)，能夠有效的解決我國現(xiàn)階段船舶電氣設(shè)備中存在的種種問題。

關(guān)鍵詞：船舶電氣設(shè)備；水冷系統(tǒng)；研究與開發(fā)

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

在船舶電氣設(shè)備領(lǐng)域，隨著相關(guān)電氣元器件與芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步，其相關(guān)元器件與芯片的能耗與發(fā)熱功率也在隨之增長。在船舶電氣設(shè)備中，其相關(guān)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(shè)備的正常使用有著極為重要的影響。我國船舶電氣設(shè)備通常采取風(fēng)扇散熱法，但風(fēng)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(shè)備散熱需求，這就使得船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)有了其使用的必要性。

1 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的船舶電氣設(shè)備風(fēng)扇散熱法相比，船舶電氣設(shè)備水冷法有著以下優(yōu)勢：

①船舶電氣設(shè)備水冷法散熱效率高，較傳統(tǒng)風(fēng)扇散熱法相比是其散熱效率的20倍以上。

②船舶電氣設(shè)備水冷法采用的冷卻劑的溫度更便于工作人員進(jìn)行控制。

③運(yùn)用船舶電氣設(shè)備水冷法，船舶電氣設(shè)備中的熱量不會排放到附近的空間中，避免了船舶電氣設(shè)備排放熱量互相影響的現(xiàn)象發(fā)生。

④船舶電氣設(shè)備水冷法采用的模塊、機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸較小，重量也同樣較輕，節(jié)約了船體空間。

⑤船舶電氣設(shè)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(shè)備水冷系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在船舶電氣設(shè)備外，水冷散熱系統(tǒng)已在諸多行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了極為不錯的應(yīng)用效果，例如，在筆記本電腦的散熱中、坦克發(fā)動機(jī)的散熱中、煉鋼行業(yè)的散熱、軍用雷達(dá)的散熱中等。

3 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的構(gòu)成及工作流程

3.1 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)構(gòu)成

在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中，大功率電氣設(shè)備本體、水冷板、循環(huán)水系統(tǒng)、熱交換器、監(jiān)控與保護(hù)裝置以及管路附件，是最典型的船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的組成部分[2]。

3.2 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)工作流程

在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的工作流程中，其主要按照：在船舶水冷系統(tǒng)啟動時，水冷系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水將低溫的冷卻水送到船舶電氣設(shè)備內(nèi)部，并通過低溫的冷卻水帶走船舶電氣設(shè)備產(chǎn)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(shè)備水冷系統(tǒng)的熱交換器，并在其內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制降溫，變?yōu)槔鋮s水并重新通過船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)給箱內(nèi)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一輪的船舶電氣設(shè)備降溫，工作的全過程，如圖2所示[3]。

4 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)設(shè)計

4.1 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的主要參數(shù)計算

在船舶電氣設(shè)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(shè)備水冷系統(tǒng)的主要參數(shù)計算中，我們只采用總耗散功率。在對船舶電氣設(shè)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(shè)備水冷系統(tǒng)的水冷版設(shè)計

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

在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)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(dǎo)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(shè)備水冷系統(tǒng)中，水冷板不僅是整個模塊的安裝集體，更要負(fù)擔(dān)起為IGBT元件散熱的作用。

4.3 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的主、支管路系統(tǒng)設(shè)計

在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中，其柜體進(jìn)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(jìn)水管上部，通過這種水管的放置方式，符合了船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中熱量向上走的要求。在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中的主管上的各種支管中，每個支管都設(shè)有通過遙控開啟與關(guān)閉水流的電業(yè)球閥，這種電業(yè)球閥的安裝對于船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中水管有著極為不錯的維護(hù)效果。此外，在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)水管的各支路中，其按照電源裝置進(jìn)行具體劃分，且采用并聯(lián)的方式依附在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)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(shè)備水冷系統(tǒng)中需要冷卻的發(fā)熱功率元器件內(nèi)部。

4.4 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的管路排水、脫氣、穩(wěn)壓設(shè)計

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

4.5 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的防露設(shè)計

在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中，相關(guān)元器件的結(jié)露也將大大影響船舶電氣設(shè)備相關(guān)散熱。針對這種情況，船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)應(yīng)通過對電源裝置內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行實時監(jiān)控的方式，保證電源裝置內(nèi)的溫度始終高于露點(diǎn)溫度，從而保證并增強(qiáng)電源裝置內(nèi)元器件的絕緣性能與其可靠性。

5 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的試驗與應(yīng)用

我們采用風(fēng)冷試驗機(jī)柜與液冷試驗機(jī)柜進(jìn)行試驗，對二者的性能進(jìn)行對比。在這其中風(fēng)冷試驗機(jī)柜總熱工耗為10 kW，液冷試驗機(jī)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(shè)備水冷系統(tǒng)與風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的散熱效能 試驗

從實驗數(shù)據(jù)我們可以得知，液冷試驗機(jī)柜的總熱工耗為 50 kW，而風(fēng)冷試驗機(jī)柜總熱工耗為10 kW，從現(xiàn)代化的電子設(shè)備集成化思路進(jìn)行考慮，一個液冷試驗機(jī)柜的熱功消耗量應(yīng)等于五個風(fēng)冷試驗機(jī)柜的熱功消耗量。而從整個系統(tǒng)來看，風(fēng)冷試驗機(jī)柜在具體使用中需要風(fēng)機(jī)與空調(diào)的配合，而液冷試驗機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)與空調(diào)的大小，由此可見，在船舶電氣設(shè)備的具體散熱中，運(yùn)用船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)所需的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于船舶電氣設(shè)備風(fēng)扇散熱法所需的體積[6]。

5.2 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)與風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的能耗對比

從實驗的基本資料中我們可以得知，在風(fēng)冷試驗機(jī)柜的使用中，其主要是由自身的模擬熱源、風(fēng)機(jī)與空調(diào)裝置產(chǎn)生耗電。而在液冷試驗機(jī)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(chǎn)生耗電。根據(jù)我們采用的實驗數(shù)據(jù)，對于 50 kW的熱功耗，經(jīng)過相關(guān)計算可知，風(fēng)冷試驗機(jī)柜用電102 kW，而液冷試驗機(jī)柜則需要55 kW。

5.3 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)與風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的熱能效應(yīng) 對比試驗

在具體試驗中，我們先對液冷試驗機(jī)柜進(jìn)行試驗，將液冷試驗機(jī)柜的總功率設(shè)定到固定的50 kW，待其監(jiān)測溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測與實驗；再使用風(fēng)冷試驗機(jī)柜進(jìn)行試驗，將其的總功率達(dá)到設(shè)定到10 kW，待其監(jiān)測溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測與實驗，我們可以從監(jiān)測的溫度直觀的看吃兩者的散熱效果差別。

經(jīng)過具體試驗得知，液冷試驗機(jī)柜的溫度低于風(fēng)冷試驗機(jī)柜10 ℃左右，由此可見船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的實用性。

5.4 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)與風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的噪音對比 試驗

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

實驗結(jié)果表明，在噪音測試中，液冷試驗機(jī)柜比風(fēng)冷試驗機(jī)柜產(chǎn)生的噪音要低6 dB，由此可見，船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)對噪音的降低作用。

6 結(jié) 語

針對我國現(xiàn)階段船舶電氣設(shè)備風(fēng)扇散熱系統(tǒng)體積大、功耗高、噪音高等問題，本文對新型船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)進(jìn)行研究，并與風(fēng)扇散熱系統(tǒng)進(jìn)行了試驗對比。從試驗結(jié)果可知，船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、冷卻效率、對噪音的降低程度等都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于船舶電氣設(shè)備風(fēng)扇散熱系統(tǒng)。

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