船舶电气设备水冷系统研究与开发

李玉涛

摘 要：我国现阶段的船舶电气设备发展存在一些问题，尤其是在体积、功耗、散热与噪音方面表现较差，这就为新技术的研发提供了空间。针对我国现阶段船舶电气设备的现状，一种基于模块化水冷版以及传感与控制技术的船舶电气设备水冷系统应运而生。文章就相关船舶电气设备水冷系统的研究与开发进行探究，而通过相关研究结果表明，这种新型船舶电气设备水冷系统，能够有效的解决我国现阶段船舶电气设备中存在的种种问题。

关键词：船舶电气设备；水冷系统；研究与开发

中图分类号：TM761.12 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0026-02

在船舶电气设备领域，随着相关电气元器件与芯片技术的不断进步，其相关元器件与芯片的能耗与发热功率也在随之增长。在船舶电气设备中，其相关元器件与芯片的散热情况与其表面温度的均匀性，对于船舶电气设备的正常使用有着极为重要的影响。我国船舶电气设备通常采取风扇散热法，但风扇散热法因其有着散热极限，满足不了日益增长的船舶电气设备散热需求，这就使得船舶电气设备水冷系统有了其使用的必要性。

1 船舶电气设备水冷系统的优点

与传统的船舶电气设备风扇散热法相比，船舶电气设备水冷法有着以下优势：

①船舶电气设备水冷法散热效率高，较传统风扇散热法相比是其散热效率的20倍以上。

②船舶电气设备水冷法采用的冷却剂的温度更便于工作人员进行控制。

③运用船舶电气设备水冷法，船舶电气设备中的热量不会排放到附近的空间中，避免了船舶电气设备排放热量互相影响的现象发生。

④船舶电气设备水冷法采用的模块、机架的结构尺寸较小，重量也同样较轻，节约了船体空间。

⑤船舶电气设备水冷法采用的通常为液冷冷板，能够最大限度减小温度的波动，提供比较低的热阻通路[1]。

2 船舶电气设备水冷系统在国内的应用现状

在船舶电气设备外，水冷散热系统已在诸多行业进行了应用，并取得了极为不错的应用效果，例如，在笔记本电脑的散热中、坦克发动机的散热中、炼钢行业的散热、军用雷达的散热中等。

3 船舶电气设备水冷系统的构成及工作流程

3.1 船舶电气设备水冷系统构成

在船舶电气设备水冷系统中，大功率电气设备本体、水冷板、循环水系统、热交换器、监控与保护装置以及管路附件，是最典型的船舶电气设备水冷系统的组成部分[2]。

3.2 船舶电气设备水冷系统工作流程

在船舶电气设备水冷系统的工作流程中，其主要按照：在船舶水冷系统启动时，水冷系统内的循环水将低温的冷却水送到船舶电气设备内部，并通过低温的冷却水带走船舶电气设备产生的大量热量，吸收热量后低温的冷却水的温度升高，温度升高的热水流流入船舶电气设备水冷系统的热交换器，并在其内部进行强制降温，变为冷却水并重新通过船舶电气设备水冷系统的水循环系统进入补给箱内，准备进入下一轮的船舶电气设备降温，工作的全过程，如图2所示[3]。

4 船舶电气设备水冷系统设计

4.1 船舶电气设备水冷系统的主要参数计算

在船舶电气设备中，功率元件有效功率输出比其他工作所需的输入功率小的多，但在船舶电气设备水冷系统的主要参数计算中，我们只采用总耗散功率。在对船舶电气设备总耗散功率的计算中，如果其电源装置为50 kVA，通过计算我们可以得知其耗散的功率大约在5 kVA左右。

4.2 船舶电气设备水冷系统的水冷版设计

通过上文我们可知，在船舶电气设备水冷系统中，水冷版是其不可或缺的重要组成部分，是其散热工作进行的基础。在船舶电气设备水冷系统中，水冷版这一重要部件的性能优劣将直接影响船舶电气设备水冷系统的整体散热效果。

在船舶电气设备水冷系统中，水冷板一般与IGBT、低感母排等部件一起模块化安装，并通过在彼此的接触面涂覆导热硅脂的方式，最小化水冷板与IGBT元件的热阻。所以在船舶电气设备水冷系统中，水冷板不仅是整个模块的安装集体，更要负担起为IGBT元件散热的作用。

4.3 船舶电气设备水冷系统的主、支管路系统设计

在船舶电气设备水冷系统中，其柜体进出的出水管采用的是上下平行放置的方式，在这其中，出水管一般置于进水管上部，通过这种水管的放置方式，符合了船舶电气设备水冷系统中热量向上走的要求。在船舶电气设备水冷系统中的主管上的各种支管中，每个支管都设有通过遥控开启与关闭水流的电业球阀，这种电业球阀的安装对于船舶电气设备水冷系统中水管有着极为不错的维护效果。此外，在船舶电气设备水冷系统水管的各支路中，其按照电源装置进行具体划分，且采用并联的方式依附在船舶电气设备水冷系统的主水管中，并在工作时使用分配器，将冷却水分流到船舶电气设备水冷系统中需要冷却的发热功率元器件内部。

4.4 船舶电气设备水冷系统的管路排水、脱气、稳压设计

在船舶电气设备水冷系统中，液体泄漏的问题一直是相关研究人员的面临的难题，在本研究的船舶电气设备水冷系统中，船舶电气设备水冷系统的管道系统处设有特殊设计的脱气装置与自动排气阀，这种特殊构造的设计能够自动并有效的进行汽水分离与排气等功能，能够使船舶电气设备水冷系统保证最少的液体泄漏。而在循环管路处，本设计中设有气囊膨胀罐、气泵以及电磁阀组成的船舶电气设备水冷系统稳压系统，当船舶电气设备水冷系统中因种种原因造成系统压力偏低时，气泵会自动对船舶电气设备水冷系统中的气压进行补充，并以此保证船舶电气设备水冷系统管路的压力恒定与冷却水的充满[5]。

4.5 船舶电气设备水冷系统的防露设计

在船舶电气设备水冷系统中，相关元器件的结露也将大大影响船舶电气设备相关散热。针对这种情况，船舶电气设备水冷系统应通过对电源装置内的温度、湿度进行实时监控的方式，保证电源装置内的温度始终高于露点温度，从而保证并增强电源装置内元器件的绝缘性能与其可靠性。

5 船舶电气设备水冷系统的试验与应用

我们采用风冷试验机柜与液冷试验机柜进行试验，对二者的性能进行对比。在这其中风冷试验机柜总热工耗为10 kW，液冷试验机柜的总热工耗为50 kW，两者的均采用五块制冷板，且外形相同。

5.1 船舶电气设备水冷系统与风扇散热系统的散热效能 试验

从实验数据我们可以得知，液冷试验机柜的总热工耗为 50 kW，而风冷试验机柜总热工耗为10 kW，从现代化的电子设备集成化思路进行考虑，一个液冷试验机柜的热功消耗量应等于五个风冷试验机柜的热功消耗量。而从整个系统来看，风冷试验机柜在具体使用中需要风机与空调的配合，而液冷试验机柜则需要液冷源的配合，通过具体对比我们可以知道液冷源的大小远远小于风机与空调的大小，由此可见，在船舶电气设备的具体散热中，运用船舶电气设备水冷系统所需的体积远远小于船舶电气设备风扇散热法所需的体积[6]。

5.2 船舶电气设备水冷系统与风扇散热系统的能耗对比

从实验的基本资料中我们可以得知，在风冷试验机柜的使用中，其主要是由自身的模拟热源、风机与空调装置产生耗电。而在液冷试验机柜的使用中，其主要是模拟热源耗电、水泵耗电以及冷却用水产生耗电。根据我们采用的实验数据，对于 50 kW的热功耗，经过相关计算可知，风冷试验机柜用电102 kW，而液冷试验机柜则需要55 kW。

5.3 船舶电气设备水冷系统与风扇散热系统的热能效应 对比试验

在具体试验中，我们先对液冷试验机柜进行试验，将液冷试验机柜的总功率设定到固定的50 kW，待其监测温度稳定后，进行相关监测与实验；再使用风冷试验机柜进行试验，将其的总功率达到设定到10 kW，待其监测温度稳定后，进行相关监测与实验，我们可以从监测的温度直观的看吃两者的散热效果差别。

经过具体试验得知，液冷试验机柜的温度低于风冷试验机柜10 ℃左右，由此可见船舶电气设备水冷系统的实用性。

5.4 船舶电气设备水冷系统与风扇散热系统的噪音对比 试验

在对液冷试验机柜与风冷试验机柜进行噪音试验中，我们将液冷试验机柜与风冷试验机柜放置在一密闭的房间中，分别对二者进行启动试验，并通过安放在房间内部的噪音测试设备进行噪音的对比[7]。

实验结果表明，在噪音测试中，液冷试验机柜比风冷试验机柜产生的噪音要低6 dB，由此可见，船舶电气设备水冷系统对噪音的降低作用。

6 结 语

针对我国现阶段船舶电气设备风扇散热系统体积大、功耗高、噪音高等问题，本文对新型船舶电气设备水冷系统进行研究，并与风扇散热系统进行了试验对比。从试验结果可知，船舶电气设备水冷系统的稳定性、冷却效率、对噪音的降低程度等都要远远优于船舶电气设备风扇散热系统。

参考文献：

[1] 桂永胜，谢坤，胡刚义，等.船舶电气设备水冷系统研究与开发[J].机电工 程，2015，（12）.

[2] 卢森微.基于虚拟现实的船舶电站仿真训练系统的研究[D].镇江：江苏 科技大学，2014.

[3] 王博东.基于PLC和组态软件的水冷监控系统的设计实现[D].北京：中 国科学院大学，2014.

[4] 倪玉平.基于CLIPS的船舶电力系统故障诊断专家系统研究[D].武汉：

武汉理工大学，2013.

[5] 吴斐文.海洋工程船舶电气系统和设备的现状及展望[J].船舶，2011，（4）.

[6] 梁星星.舰船交流电力推进系统理论研究及其电磁兼容性研究[D].武 汉：华中科技大学，2006.

[7] 桂永胜，谢坤，胡刚义，等.船舶电气设备水冷系统研究与开发[J].机电工 程，2015，（12）.