李玉濤

摘 要：我國(guó)現(xiàn)階段的船舶電氣設(shè)備發(fā)展存在一些問(wèn)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(duì)我國(guó)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(kāi)發(fā)進(jìn)行探究，而通過(guò)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(guó)現(xiàn)階段船舶電氣設(shè)備中存在的種種問(wèn)題。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM761.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)。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(duì)于船舶電氣設(shè)備的正常使用有著極為重要的影響。我國(guó)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(zhǎng)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(shì)：

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(huì)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(dòng)，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(guó)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(cuò)的應(yīng)用效果，例如，在筆記本電腦的散熱中、坦克發(fā)動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(guò)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(guò)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(guò)程，如圖2所示[3]。

4 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的主要參數(shù)計(jì)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(jì)算中，我們只采用總耗散功率。在對(duì)船舶電氣設(shè)備總耗散功率的計(jì)算中，如果其電源裝置為50 kVA，通過(guò)計(jì)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(jì)

通過(guò)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(guò)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(gè)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(jì)

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(guò)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(gè)支管都設(shè)有通過(guò)遙控開(kāi)啟與關(guān)閉水流的電業(yè)球閥，這種電業(yè)球閥的安裝對(duì)于船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中水管有著極為不錯(cuò)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(shí)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(jì)

在船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)中，液體泄漏的問(wèn)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(jì)的脫氣裝置與自動(dòng)排氣閥，這種特殊構(gòu)造的設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)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(jì)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(shí)，氣泵會(huì)自動(dòng)對(duì)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(jì)

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(duì)這種情況，船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)對(duì)電源裝置內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yàn)與應(yīng)用

我們采用風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜與液冷試驗(yàn)機(jī)柜進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)二者的性能進(jìn)行對(duì)比。在這其中風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜總熱工耗為10 kW，液冷試驗(yàn)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(yàn)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以得知，液冷試驗(yàn)機(jī)柜的總熱工耗為 50 kW，而風(fēng)冷試驗(yàn)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(gè)液冷試驗(yàn)機(jī)柜的熱功消耗量應(yīng)等于五個(gè)風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜的熱功消耗量。而從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，風(fēng)冷試驗(yàn)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(yàn)機(jī)柜則需要液冷源的配合，通過(guò)具體對(duì)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(jiàn)，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(duì)比

從實(shí)驗(yàn)的基本資料中我們可以得知，在風(fēng)冷試驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于 50 kW的熱功耗，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算可知，風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜用電102 kW，而液冷試驗(yàn)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(duì)比試驗(yàn)

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

經(jīng)過(guò)具體試驗(yàn)得知，液冷試驗(yàn)機(jī)柜的溫度低于風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜10 ℃左右，由此可見(jiàn)船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)的實(shí)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(duì)比 試驗(yàn)

在對(duì)液冷試驗(yàn)機(jī)柜與風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜進(jìn)行噪音試驗(yàn)中，我們將液冷試驗(yàn)機(jī)柜與風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜放置在一密閉的房間中，分別對(duì)二者進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)，并通過(guò)安放在房間內(nèi)部的噪音測(cè)試設(shè)備進(jìn)行噪音的對(duì)比[7]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在噪音測(cè)試中，液冷試驗(yàn)機(jī)柜比風(fēng)冷試驗(yàn)機(jī)柜產(chǎn)生的噪音要低6 dB，由此可見(jiàn)，船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)對(duì)噪音的降低作用。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)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(wèn)題，本文對(duì)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(yàn)對(duì)比。從試驗(yàn)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(duì)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)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 桂永勝，謝坤，胡剛義，等.船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)電工 程，2015，（12）.

[2] 盧森微.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇 科技大學(xué)，2014.

[3] 王博東.基于PLC和組態(tài)軟件的水冷監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].北京：中 國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2014.

[4] 倪玉平.基于CLIPS的船舶電力系統(tǒng)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)研究[D].武漢：

武漢理工大學(xué)，2013.

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

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

[7] 桂永勝，謝坤，胡剛義，等.船舶電氣設(shè)備水冷系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)電工 程，2015，（12）.