桂永勝，謝 坤，胡剛義，陽世榮，彭 威

(1.海軍駐中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇一研究所軍事代表室，湖北 武漢 430064;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064;3.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

隨著電氣設(shè)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(fā)熱功率也越來越大。電子元件及芯片散熱情況的好壞以及表面溫度的均勻性直接影響到電氣設(shè)備工作的穩(wěn)定性能。因此，必須進(jìn)行有效的散熱設(shè)計(jì)，以確保這些高速、高功率的電子元器件及芯片能夠正常工作。而且電氣設(shè)備散熱量是船舶艙室的主要熱負(fù)荷，直接影響通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能耗、制冷量、風(fēng)量等參數(shù)。

風(fēng)扇散熱是目前電氣設(shè)備冷卻使用得最普遍的形式。風(fēng)扇散熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，因而受到了廣大用戶的青睞。然而，隨著電子元器件發(fā)熱功率的迅速增長(zhǎng)，風(fēng)扇散熱器也隨之進(jìn)行了改進(jìn)，常規(guī)的方法是提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)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(fēng)扇散熱器的散熱能力，風(fēng)冷技術(shù)已不能滿足芯片日益增長(zhǎng)的散熱要求。

相較于傳統(tǒng)的散熱方式，在船舶電氣設(shè)備上采用液體冷卻方式具有以下優(yōu)點(diǎn)［1-2］:

(1)液冷散熱效率高，熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20 倍以上，熱耗容易傳到液體;

(2)冷卻劑的溫度容易控制;

(3)機(jī)架/機(jī)箱內(nèi)部模塊耗散的熱量不會(huì)排放到其所處的空間，避免了相互間的影響;

(4)采用液體冷卻時(shí)，模塊、機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸較小，重量輕;

(5)采用液冷冷板可以減小溫度的波動(dòng)和循環(huán)，提供較低的熱阻通路。

對(duì)電源裝置、計(jì)算機(jī)機(jī)柜、動(dòng)力電站、推進(jìn)電機(jī)等大功率電氣設(shè)備采用液冷散熱，不僅可以提高電氣設(shè)備工作的性能，而且能夠減少全船通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、全船冷卻系統(tǒng)等用電負(fù)荷用電量，是節(jié)能減排的有效措施。

本研究針對(duì)船舶電氣設(shè)備體積大、功耗高、散熱差、噪音等問題，對(duì)船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的模塊化水冷板、傳感與控制單元進(jìn)行研究。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，液冷散熱系統(tǒng)在其他行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，如空調(diào)，汽車、拖拉機(jī)、坦克的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，醫(yī)療設(shè)備、臺(tái)式電腦和筆記本電腦的高端CPU散熱，煉鋼行業(yè)、加速器的散熱［3-4］。

2005年，由南車株洲所開發(fā)的大功率機(jī)車牽引水冷變流器已在某和諧型貨運(yùn)機(jī)車上批量裝車應(yīng)用，水冷系統(tǒng)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，替代了昂貴的進(jìn)口電傳動(dòng)系統(tǒng)，使該型機(jī)車的國(guó)產(chǎn)化率提高到90%以上。

2008年9 月，臺(tái)灣奇菱公司在美國(guó)丹佛市舉行的CEDIA 展會(huì)上，展出了全球首款液冷投影機(jī)，這標(biāo)志著液冷散熱技術(shù)正式應(yīng)用到投影機(jī)行業(yè)。

近年來，雷達(dá)、電子對(duì)抗燈設(shè)備的數(shù)據(jù)工作站廣泛應(yīng)用液冷機(jī)箱，用于高端CPU、大功率集成電路板的散熱，大大提高了設(shè)備的散熱效率。

上世紀(jì)90年代以來，德國(guó)、法國(guó)、瑞士等國(guó)相繼開展變頻器水冷技術(shù)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(chǎng)合廣泛應(yīng)用。典型代表是瑞士ABB 公司開發(fā)生產(chǎn)的ACS1000 系列變頻器(輸出功率范圍是1 800 kW～5 000 kW)、芬蘭VaconNXP 系列變頻器等，均采用了水冷散熱系統(tǒng)并在水冷技術(shù)上處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，可以大大提高散熱效率，降低功率器件的溫度，提高其壽命。

在國(guó)外，水冷系統(tǒng)也被應(yīng)用到新興行業(yè)，如日本福島和隆文在1998年開發(fā)了用于日本新干線電動(dòng)車組主變流裝置的冷卻系統(tǒng)，他是首次在該領(lǐng)域采用“水”作為冷卻水。以水作為介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，取材容易，無污染問題，水冷散熱系統(tǒng)以其無污染的特性將會(huì)有非常好的發(fā)展前景。

可見，僅從應(yīng)用場(chǎng)合來看，國(guó)內(nèi)外正在各行各業(yè)應(yīng)用成熟的電氣設(shè)備液冷技術(shù)，我國(guó)船舶電氣設(shè)備液冷領(lǐng)域還有一定應(yīng)用差距。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成

典型船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)由大功率電氣設(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、和管路附件。

電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)組成示意如圖1 所示。

圖1 典型電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)組成示意圖

典型電氣設(shè)備水冷結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 典型電氣設(shè)備水冷機(jī)柜結(jié)構(gòu)示意圖

水冷系統(tǒng)具體包括:

(1)大功率電氣設(shè)備本體。主要包括電子元器件及其附屬接線，其中大功率元器件是產(chǎn)生熱量的源頭，通過水冷板散熱。

(2)水冷板。是船舶大功率電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中不可缺少的重要部件，其主要作用是進(jìn)行熱量的傳遞和交換，水冷系統(tǒng)中水冷板性能的好壞直接影響冷卻系統(tǒng)的散熱效果。水冷板通常與IGBT、低感母排等部件一起模塊化安裝，水冷板既承擔(dān)著IGBT 元件的散熱功能，同時(shí)又是整個(gè)模塊的安裝基體。

(3)循環(huán)水系統(tǒng)。是整個(gè)水冷系統(tǒng)的動(dòng)力樞紐。循環(huán)水系統(tǒng)包括2個(gè)并聯(lián)的水泵、流量計(jì)、補(bǔ)給箱、加熱器、管路和閥門等。泵是用來傳送冷卻介質(zhì)的動(dòng)力裝置。流量計(jì)可以顯示流經(jīng)循環(huán)水系統(tǒng)主回路中的流量。補(bǔ)給箱是貯水裝置，提供整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)主回路所用的冷卻水。加熱器是用來給冷卻水加熱的，是防凍設(shè)施。管路和閥門種類較多，功能也不盡相同。

(4)控制模塊。主要包括控制器、水位計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、顯示屏等?？刂破魇撬溲b置內(nèi)電氣控制中心。通過水位計(jì)可以觀察到補(bǔ)給箱內(nèi)的液面位置。壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器是循環(huán)水系統(tǒng)主回路中探測(cè)裝置，可以將信息反饋到控制模塊的面板顯示屏上。面板顯示屏上有壓力顯示和溫度顯示。

(5)熱交換器。主要包括列管、散熱片、兩個(gè)風(fēng)機(jī)、閥門等。熱交換器是換熱裝置，作用是將高溫循環(huán)水降溫冷卻后，轉(zhuǎn)化為低溫循環(huán)水。列管是熱交換器內(nèi)的串聯(lián)管路，由密集的排管組成。散熱片是熱量傳導(dǎo)的媒介，由多層組成，穿在列管的外面，熱量通過散熱片傳導(dǎo)散發(fā)。兩個(gè)風(fēng)機(jī)是用來給散熱片強(qiáng)制降溫的。閥門包括排水閥和排氣閥。

(6)管路附件。指連接在循環(huán)水系統(tǒng)、電氣設(shè)備本體、熱交換器三者之間的管路、閥件和快速插拔接頭等。

2.2 工作流程

水冷系統(tǒng)工作流程圖如圖3 所示。

圖3 水冷系統(tǒng)工作流程圖

船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)工作流程如下:船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)工作時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)將低溫冷卻水傳送到大功率電氣設(shè)備本體內(nèi)，帶走大功率元器件產(chǎn)生的熱量，溫度升高后的熱水流向熱交換器，在熱交換器內(nèi)強(qiáng)制降溫，變成低溫循環(huán)水排出，流回循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)給箱內(nèi)。

電氣設(shè)備機(jī)柜內(nèi)冷卻水循環(huán)流動(dòng)示意圖如圖4所示。

圖4 機(jī)柜內(nèi)冷卻水循環(huán)流動(dòng)示意圖

冷卻水經(jīng)T 流體連接器進(jìn)入機(jī)柜，由水分配器把冷卻水經(jīng)流體連接器分流至各水冷板，在水冷板流道內(nèi)循環(huán)流道后匯流至另一水分配器，再經(jīng)流體連接器流出機(jī)柜。電氣設(shè)備機(jī)柜內(nèi)冷卻水循環(huán)流動(dòng)過程中，冷卻水帶走模擬熱源散發(fā)的熱量，實(shí)現(xiàn)散熱目的。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水冷系統(tǒng)的主要參數(shù)計(jì)算

(1)耗散功率P

功率元器件有效的功率輸出要比其工作所需的輸入功率小得多，多余的功率轉(zhuǎn)化為熱而耗散掉，其中小部分通過傳導(dǎo)、自然對(duì)流方式散失到空氣中。但在水冷系統(tǒng)換熱設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)仍取總耗散功率。功率元器件耗散功率可以通過有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，亦可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。以50 kVA 電源裝置為例，其耗散功率通過計(jì)算大約5 kW 左右。

(2)換熱所需冷卻水流量Q

不同型號(hào)的電源裝置，耗散功率大小不同，但總在一定范圍內(nèi)變化。50 kVA 電源裝置的功率元器件主要由若干個(gè)IGBT 單元構(gòu)成。由干冷卻介質(zhì)的物性參數(shù)不變，根據(jù)以下熱平衡方程式可知換熱所需冷卻水流量Q 亦在一定范圍內(nèi)隨P 變化而變化［5］:

式中:Q—冷卻水流量，m3/h;P—功率元器件耗散功率，kW，P=5 kW;ρ—功率元器件耗散功率，kW，ρ=1.0×103kg/m3;C—比熱，kJ/(kg·K)，C=4.2 kJ/(kg·K);Δt—溫升，℃，取Δt=5 ℃;

由公式可得理論流量Q=0.84 m3/h=14 L/min。

3.2 水冷板設(shè)計(jì)

水冷板是50 kVA 電源裝置水冷系統(tǒng)中不可缺少的重要部件，其主要作用是進(jìn)行熱量的傳遞和交換，因此，冷卻系統(tǒng)中水冷板性能的好壞直接影響冷卻系統(tǒng)的散熱效果。

水冷板的主要功能是將發(fā)熱功率元器件產(chǎn)生的熱量與冷卻液進(jìn)行充分交換。為了確保功率元器件在被液體冷卻時(shí)能把所耗散的熱量盡量全部帶走，元器件與水冷板的接觸和水冷板的熱阻就顯得尤為重要。

水冷板通常與IGBT、低感母排等部件一起模塊化安裝，在水冷板與IGBT接觸面上涂覆有導(dǎo)熱硅脂，將IGBT 緊密貼裝并固定在水冷板的外表面上，使IGBT與水冷板之間的接觸熱阻減到最小。因此，水冷板既承擔(dān)著IGBT 元件的散熱功能，同時(shí)又是整個(gè)模塊的安裝基體。

水冷板一般由主板、背板、進(jìn)出水嘴等零部件組成，內(nèi)部水道設(shè)計(jì)成多通道結(jié)構(gòu)，典型的多通道水冷板結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。多通道結(jié)構(gòu)的平板式水冷散熱器由于通道數(shù)較多，散熱器臺(tái)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(huì)大大減少，因而通道內(nèi)冷卻液流態(tài)多控制在層流范圍內(nèi)。

圖5 典型的多通道水冷板結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 主、支管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柜體內(nèi)進(jìn)出水主管路采用上、下平行放置方式，進(jìn)水管放在下部，出水管放在上部;這樣放置符合進(jìn)水口水溫低，出水口水溫高、熱量向上走的要求。主管上各分支管路都分別設(shè)有電液球閥，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分支水流的遙控開啟和關(guān)斷，便于器件的維護(hù)。

各支路系統(tǒng)按各電源裝置進(jìn)行劃分;采用并聯(lián)管路的連接方式，各支路系統(tǒng)并聯(lián)在進(jìn)出水主管路上。主管路延程壓力損失可忽略不計(jì);并聯(lián)在主管路上的各支管路系統(tǒng)入水口的壓力基本相同。在各支管路系統(tǒng)內(nèi)部采用分配器，將冷卻水分流到各需要冷卻的器件內(nèi)。

3.4 管路系統(tǒng)的排水、脫氣、穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

本研究在管道系統(tǒng)的合理位置設(shè)有特殊設(shè)計(jì)的脫氣裝置和自動(dòng)排氣閥，能自動(dòng)有效地進(jìn)行汽水分離和排氣功能，保證最少的液體泄漏。

循環(huán)管路串有氣囊膨脹罐、氣泵及電磁閥組成的穩(wěn)壓系統(tǒng)，當(dāng)冷卻水因少量外滲或電解而損失引起系統(tǒng)壓力低時(shí)，氣泵補(bǔ)充氣壓，把冷卻水壓入循環(huán)管路系統(tǒng)，以保持管路的壓力恒定和冷卻水的充滿。

氣囊膨脹罐可緩沖循環(huán)冷卻水因溫度變換而產(chǎn)生的容積變化，其最大容積相應(yīng)的壓力不應(yīng)超出系統(tǒng)運(yùn)行的壓力限值。氣囊膨脹罐同時(shí)作為系統(tǒng)的蓄水箱。

3.5 防露設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電源裝置內(nèi)空氣的溫度、濕度，使其溫度始終高于露點(diǎn)溫度，從而保證不出現(xiàn)結(jié)露，保證電子元器件的絕緣性能和可靠性。

3.6 電磁兼容性能控制

水冷系統(tǒng)會(huì)對(duì)電源裝置的電場(chǎng)和磁場(chǎng)造成一定的影響，需要深入分析，并采取措施加以控制，開展裝艇電磁兼容控制技術(shù)研究［6］。

首先，控制干擾源。通過對(duì)系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射、頻譜特性的研究分析，對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射和地電流發(fā)射采取抑制措施。具體包括:選用合適的諧波抑制器、平衡電路等來抑制傳導(dǎo)發(fā)射;合理設(shè)計(jì)共模回路、優(yōu)化接地點(diǎn)，并匹配對(duì)外回路阻抗，有效抑制對(duì)殼體地電流發(fā)射。

其次，從總體上采取措施切斷干擾途徑，具體措施包括:研制諧波抑制裝置，從源頭上控制電磁干擾的傳播，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證;采用設(shè)備空間布置隔離和電纜敷設(shè)控制，主、輔干電纜盡量遠(yuǎn)離敏感電子設(shè)備以及其信號(hào)線、控制線等。

3.7 全船淡水冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

水冷系統(tǒng)采用全船淡水冷卻系統(tǒng)對(duì)水冷板進(jìn)行循環(huán)冷卻，需對(duì)全船淡水冷卻系統(tǒng)的接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證水冷主管路系統(tǒng)的供水。

典型的全船淡水冷卻系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 典型的全船淡水冷卻系統(tǒng)示意圖

柜體內(nèi)進(jìn)、出水主管路采用并聯(lián)管路的連接方式并聯(lián)在全船淡水冷卻系統(tǒng)主管路上，通過全船淡水冷卻系統(tǒng)帶走水冷板吸收的熱量。

3.8 監(jiān)控與保護(hù)

水冷系統(tǒng)監(jiān)控與保護(hù)原理框圖如圖7 所示。系統(tǒng)在進(jìn)水主管路上設(shè)有流量、壓力、溫度變送器，提供4 mV～20 mV線性信號(hào)，傳至各電氣設(shè)備內(nèi)的PLC 從站。經(jīng)PLC 主站連接和反饋，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制、報(bào)警及保護(hù)功能，并將監(jiān)控信息上傳到全船電氣設(shè)備水冷集中顯控臺(tái)(可與其他綜合管理類顯控臺(tái)集成)通過人機(jī)界面進(jìn)行顯示與控制。以上設(shè)備一旦檢測(cè)到系統(tǒng)異常，通過PLC 對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)控制;排除異常后，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)［7～10］。

圖7 水冷系統(tǒng)監(jiān)控與保護(hù)原理框圖

PLC 的軟件組態(tài)在施耐德UnityPro V5.0 組態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)，顯控臺(tái)人機(jī)界面軟件采用基于Windows 平臺(tái)的Visual Studio 集成開發(fā)平臺(tái)環(huán)境開發(fā)。

各電氣設(shè)備內(nèi)的PLC 從站接收傳感器實(shí)時(shí)采集的電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報(bào)警信息，經(jīng)PLC 組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在全船電氣設(shè)備水冷集中顯控臺(tái)上進(jìn)行顯示。同時(shí)，PLC接受顯控臺(tái)指令，經(jīng)內(nèi)部邏輯處理后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電控閥等執(zhí)行器進(jìn)行直接控制［11］。

水冷監(jiān)控與保護(hù)流程圖如圖8 所示。

圖8 水冷監(jiān)控與保護(hù)流程圖

水冷監(jiān)控與保護(hù)的實(shí)現(xiàn)流程分為4個(gè)部分:

(1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)通電、通水，PLC 軟件、顯控臺(tái)軟件自動(dòng)運(yùn)行，并進(jìn)行通訊設(shè)置和參數(shù)配置。

(2)控制指令下達(dá)。操作人員通過顯控臺(tái)人機(jī)交互界面軟件下達(dá)控制指令，PLC 軟件接收指令并進(jìn)行內(nèi)部邏輯處理，通過PLC 的離散量混合輸入/輸出模塊、離散量繼電器輸出模塊、模擬量輸出模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電控閥等執(zhí)行器進(jìn)行直接控制。

(3)信息顯示及報(bào)警。傳感器實(shí)時(shí)采集的電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報(bào)警信息，上傳至PLC 的離散量混合輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊，經(jīng)PLC 組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在顯控臺(tái)上進(jìn)行顯示及報(bào)警。

(4)故障分析與處理。系統(tǒng)在顯控臺(tái)上通過聲光報(bào)警、文字形式正確反應(yīng)電氣元件發(fā)生的故障或者不正常運(yùn)行狀態(tài)，并迅速而有選擇性地下達(dá)指令切除故障。

3.9 系統(tǒng)水冷器件的維護(hù)方案

系統(tǒng)在各水冷器件的進(jìn)、出水口位置都設(shè)置有球閥，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)開和關(guān);一旦器件需要更換，就將相應(yīng)的球閥關(guān)斷，放出器件內(nèi)部冷卻介質(zhì)就可實(shí)現(xiàn)更換器件的要求。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

電氣設(shè)備水冷試驗(yàn)系統(tǒng)、液冷試驗(yàn)機(jī)柜組成、風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜組成如圖(9～11)所示。電氣設(shè)備水冷試驗(yàn)系統(tǒng)主要針對(duì)電源裝置模擬機(jī)柜開展風(fēng)、液冷對(duì)比試驗(yàn)，由電源設(shè)備、液冷試驗(yàn)機(jī)柜、風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜、液冷源組成。風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜總熱功耗為10 kW，液冷試驗(yàn)機(jī)柜總熱功耗為50 kW，兩機(jī)柜外形尺寸相同，均采用5塊冷板，對(duì)兩套冷卻系統(tǒng)的散熱能力、噪音和體積進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

圖9 電氣設(shè)備水冷試驗(yàn)系統(tǒng)

圖10 液冷試驗(yàn)機(jī)柜組成示意圖

圖11 風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜組成示意圖

4.1 體積對(duì)比

對(duì)于風(fēng)、液冷試驗(yàn)機(jī)柜來說，風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜熱功耗10 kW，液冷試驗(yàn)機(jī)柜熱功耗50 kW，從電子設(shè)備的集成化程度考慮，1個(gè)液冷試驗(yàn)機(jī)柜相當(dāng)于5個(gè)風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜。從整個(gè)系統(tǒng)來看，風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜散熱需有風(fēng)機(jī)和空調(diào)，液冷試驗(yàn)機(jī)柜需有二次冷卻單元即液冷源，對(duì)于50 kW 的熱功耗，所需而液冷源體積遠(yuǎn)小于所需空調(diào)體積。可見，采用液冷系統(tǒng)的總體積遠(yuǎn)小于采用風(fēng)冷系統(tǒng)的總體積。

4.2 能耗對(duì)比

風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜能耗主要是電，包括模擬熱源耗電、風(fēng)機(jī)耗電和空調(diào)耗電;液冷試驗(yàn)機(jī)柜能耗有電和水，包括模擬熱源耗電、水泵耗電以及冷卻用水。

對(duì)于同等熱功耗(50 kW)的風(fēng)冷和液冷系統(tǒng)，風(fēng)冷系統(tǒng)所需耗電量約為50 kW(熱源耗電)+5×0.39 kW(風(fēng)機(jī)耗電)+50 kW(空調(diào)耗電)=102 kW;液冷系統(tǒng)所需耗電量約為50 kW(熱源耗電)+5 kW(泵耗電)=55 kW;液冷系統(tǒng)用水量為100 L/min。

4.3 散熱效能試驗(yàn)

散熱效能試驗(yàn)主要是對(duì)風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜與液冷試驗(yàn)機(jī)柜的散熱效果進(jìn)行對(duì)比。

如圖9 所示，本研究先對(duì)液冷試驗(yàn)機(jī)柜進(jìn)行通液，穩(wěn)定后打開電源通電，調(diào)節(jié)電源電壓、電流，使其總功率達(dá)50 kW，待各監(jiān)測(cè)溫度顯示穩(wěn)定時(shí)，記錄各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)溫度。對(duì)于風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜，首先打開風(fēng)機(jī)，然后連通電源，調(diào)節(jié)相應(yīng)電壓、電流，使其總功率達(dá)10 kW，待各監(jiān)測(cè)溫度顯示穩(wěn)定時(shí)，記錄各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)溫度。從兩機(jī)柜上各點(diǎn)的檢測(cè)溫度可以直觀看出風(fēng)冷與液冷的散熱效果。

試驗(yàn)表明，液冷試驗(yàn)機(jī)柜溫度低于風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜10 ℃左右，液冷散熱大大提高了電氣設(shè)備的散熱效率。

4.4 噪音試驗(yàn)

噪音試驗(yàn)主要是為了對(duì)比風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜與液冷試驗(yàn)機(jī)柜的噪音大小，把風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜與液冷試驗(yàn)機(jī)柜置于同一密閉房間中，用噪音測(cè)試設(shè)備檢測(cè)兩機(jī)柜的噪音進(jìn)行對(duì)比。

液冷試驗(yàn)機(jī)柜的噪聲源主要來自水泵工作時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生噪音，同時(shí)冷卻液在管路中循環(huán)流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音;風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜來自風(fēng)扇工作時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生噪音。測(cè)量點(diǎn)選在距離風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜與液冷試驗(yàn)機(jī)柜四周1 m的范圍內(nèi)，從地面算起高度為1 m 的點(diǎn)作為測(cè)定點(diǎn)，記錄測(cè)量數(shù)值。

試驗(yàn)表明，液冷試驗(yàn)機(jī)柜溫度低于風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜6 dB，液冷散熱大大降低了電氣設(shè)備的空氣噪聲。

5 結(jié)束語

針對(duì)船舶電氣設(shè)備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，本研究對(duì)電源裝置、計(jì)算機(jī)機(jī)柜、動(dòng)力電站、推進(jìn)電機(jī)等大功率電氣設(shè)備采用液冷散熱，不僅可以提高電氣設(shè)備工作的性能，而且能夠減少全船通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、全船冷卻系統(tǒng)等用電負(fù)荷用電量，是節(jié)能減排的有效措施。

典型船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)由大功率電氣設(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、和管路附件。本研究以50 kVA 電源裝置的水冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為實(shí)例，全面闡述了船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、監(jiān)控與保護(hù)、維護(hù)、試驗(yàn)等，并開展聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用。在聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和船舶電氣設(shè)備上對(duì)該水冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高船舶電氣設(shè)備的功率密度、穩(wěn)定性、冷卻效率、噪音水平，保證了船舶電氣設(shè)備的體積、功耗、散熱、噪音優(yōu)越性。

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