船舶電氣設備水冷系統研究與開發

桂永勝，謝 坤，胡剛義，陽世榮，彭 威

(1.海軍駐中國船舶重工集團公司第七〇一研究所軍事代表室，湖北 武漢 430064;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064;3.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

隨著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。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備工作的穩定性能。因此，必須進行有效的散熱設計，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。而且電氣設備散熱量是船舶艙室的主要熱負荷，直接影響通風空調系統的設計能耗、制冷量、風量等參數。

風扇散熱是目前電氣設備冷卻使用得最普遍的形式。風扇散熱器的結構簡單，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，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，在船舶電氣設備上采用液體冷卻方式具有以下優點［1-2］:

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

(2)冷卻劑的溫度容易控制;

(3)機架/機箱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)采用液體冷卻時，模塊、機架的結構尺寸較小，重量輕;

(5)采用液冷冷板可以減小溫度的波動和循環，提供較低的熱阻通路。

對電源裝置、計算機機柜、動力電站、推進電機等大功率電氣設備采用液冷散熱，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、全船冷卻系統等用電負荷用電量，是節能減排的有效措施。

本研究針對船舶電氣設備體積大、功耗高、散熱差、噪音等問題，對船舶電氣設備水冷系統的模塊化水冷板、傳感與控制單元進行研究。

1 國內外研究現狀

隨著科學技術的進步，液冷散熱系統在其他行業的應用十分廣泛，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［3-4］。

2005年，由南車株洲所開發的大功率機車牽引水冷變流器已在某和諧型貨運機車上批量裝車應用，水冷系統中集成式冷卻塔、水冷板和換熱器成功解決了變流器的散熱問題，替代了昂貴的進口電傳動系統，使該型機車的國產化率提高到90%以上。

2008年9 月，臺灣奇菱公司在美國丹佛市舉行的CEDIA 展會上，展出了全球首款液冷投影機，這標志著液冷散熱技術正式應用到投影機行業。

近年來，雷達、電子對抗燈設備的數據工作站廣泛應用液冷機箱，用于高端CPU、大功率集成電路板的散熱，大大提高了設備的散熱效率。

上世紀90年代以來，德國、法國、瑞士等國相繼開展變頻器水冷技術的研究，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合廣泛應用。典型代表是瑞士ABB 公司開發生產的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并在水冷技術上處于領先優勢，可以大大提高散熱效率，降低功率器件的溫度，提高其壽命。

在國外，水冷系統也被應用到新興行業，如日本福島和隆文在1998年開發了用于日本新干線電動車組主變流裝置的冷卻系統，他是首次在該領域采用“水”作為冷卻水。以水作為介質的冷卻系統有許多優點，取材容易，無污染問題，水冷散熱系統以其無污染的特性將會有非常好的發展前景。

可見，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液冷技術，我國船舶電氣設備液冷領域還有一定應用差距。

2 系統組成

2.1 系統組成

典型船舶電氣設備水冷系統由大功率電氣設備本體、水冷板、循環水系統、熱交換器、監控與保護裝置、和管路附件。

電氣設備水冷系統組成示意如圖1 所示。

圖1 典型電氣設備水冷系統組成示意圖

典型電氣設備水冷結構如圖2 所示。

圖2 典型電氣設備水冷機柜結構示意圖

水冷系統具體包括:

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

(3)循環水系統。是整個水冷系統的動力樞紐。循環水系統包括2個并聯的水泵、流量計、補給箱、加熱器、管路和閥門等。泵是用來傳送冷卻介質的動力裝置。流量計可以顯示流經循環水系統主回路中的流量。補給箱是貯水裝置，提供整個循環水系統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、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置內電氣控制中心。通過水位計可以觀察到補給箱內的液面位置。壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器是循環水系統主回路中探測裝置，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、兩個風機、閥門等。熱交換器是換熱裝置，作用是將高溫循環水降溫冷卻后，轉化為低溫循環水。列管是熱交換器內的串聯管路，由密集的排管組成。散熱片是熱量傳導的媒介，由多層組成，穿在列管的外面，熱量通過散熱片傳導散發。兩個風機是用來給散熱片強制降溫的。閥門包括排水閥和排氣閥。

(6)管路附件。指連接在循環水系統、電氣設備本體、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

水冷系統工作流程圖如圖3 所示。

圖3 水冷系統工作流程圖

船舶電氣設備水冷系統工作流程如下:船舶電氣設備水冷系統工作時，循環水系統將低溫冷卻水傳送到大功率電氣設備本體內，帶走大功率元器件產生的熱量，溫度升高后的熱水流向熱交換器，在熱交換器內強制降溫，變成低溫循環水排出，流回循環水系統的補給箱內。

電氣設備機柜內冷卻水循環流動示意圖如圖4所示。

圖4 機柜內冷卻水循環流動示意圖

冷卻水經T 流體連接器進入機柜，由水分配器把冷卻水經流體連接器分流至各水冷板，在水冷板流道內循環流道后匯流至另一水分配器，再經流體連接器流出機柜。電氣設備機柜內冷卻水循環流動過程中，冷卻水帶走模擬熱源散發的熱量，實現散熱目的。

3 系統設計

3.1 水冷系統的主要參數計算

(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，多余的功率轉化為熱而耗散掉，其中小部分通過傳導、自然對流方式散失到空氣中。但在水冷系統換熱設計與計算時仍取總耗散功率。功率元器件耗散功率可以通過有關數據計算得出，亦可通過實驗測定。以50 kVA 電源裝置為例，其耗散功率通過計算大約5 kW 左右。

(2)換熱所需冷卻水流量Q

不同型號的電源裝置，耗散功率大小不同，但總在一定范圍內變化。50 kVA 電源裝置的功率元器件主要由若干個IGBT 單元構成。由干冷卻介質的物性參數不變，根據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 水冷板設計

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

水冷板的主要功能是將發熱功率元器件產生的熱量與冷卻液進行充分交換。為了確保功率元器件在被液體冷卻時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，水冷板既承擔著IGBT 元件的散熱功能，同時又是整個模塊的安裝基體。

水冷板一般由主板、背板、進出水嘴等零部件組成，內部水道設計成多通道結構，典型的多通道水冷板結構示意圖如圖5 所示。多通道結構的平板式水冷散熱器由于通道數較多，散熱器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，因而通道內冷卻液流態多控制在層流范圍內。

圖5 典型的多通道水冷板結構示意圖

3.3 主、支管路系統設計

柜體內進出水主管路采用上、下平行放置方式，進水管放在下部，出水管放在上部;這樣放置符合進水口水溫低，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有電液球閥，可實現對分支水流的遙控開啟和關斷，便于器件的維護。

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

3.4 管路系統的排水、脫氣、穩壓設計

本研究在管道系統的合理位置設有特殊設計的脫氣裝置和自動排氣閥，能自動有效地進行汽水分離和排氣功能，保證最少的液體泄漏。

循環管路串有氣囊膨脹罐、氣泵及電磁閥組成的穩壓系統，當冷卻水因少量外滲或電解而損失引起系統壓力低時，氣泵補充氣壓，把冷卻水壓入循環管路系統，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冷卻水因溫度變換而產生的容積變化，其最大容積相應的壓力不應超出系統運行的壓力限值。氣囊膨脹罐同時作為系統的蓄水箱。

3.5 防露設計

系統實時監控電源裝置內空氣的溫度、濕度，使其溫度始終高于露點溫度，從而保證不出現結露，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

水冷系統會對電源裝置的電場和磁場造成一定的影響，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研究［6］。

首先，控制干擾源。通過對系統的傳導發射、頻譜特性的研究分析，對傳導發射和地電流發射采取抑制措施。具體包括:選用合適的諧波抑制器、平衡電路等來抑制傳導發射;合理設計共?；芈?、優化接地點，并匹配對外回路阻抗，有效抑制對殼體地電流發射。

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，并開展試驗驗證;采用設備空間布置隔離和電纜敷設控制，主、輔干電纜盡量遠離敏感電子設備以及其信號線、控制線等。

3.7 全船淡水冷卻系統優化設計

水冷系統采用全船淡水冷卻系統對水冷板進行循環冷卻，需對全船淡水冷卻系統的接口進行優化設計，保證水冷主管路系統的供水。

典型的全船淡水冷卻系統如圖6 所示。

圖6 典型的全船淡水冷卻系統示意圖

柜體內進、出水主管路采用并聯管路的連接方式并聯在全船淡水冷卻系統主管路上，通過全船淡水冷卻系統帶走水冷板吸收的熱量。

3.8 監控與保護

水冷系統監控與保護原理框圖如圖7 所示。系統在進水主管路上設有流量、壓力、溫度變送器，提供4 mV～20 mV線性信號，傳至各電氣設備內的PLC 從站。經PLC 主站連接和反饋，實現監視、控制、報警及保護功能，并將監控信息上傳到全船電氣設備水冷集中顯控臺(可與其他綜合管理類顯控臺集成)通過人機界面進行顯示與控制。以上設備一旦檢測到系統異常，通過PLC 對水冷系統進行停機控制;排除異常后，系統恢復正常工作狀態［7～10］。

圖7 水冷系統監控與保護原理框圖

PLC 的軟件組態在施耐德UnityPro V5.0 組態軟件上實現，顯控臺人機界面軟件采用基于Windows 平臺的Visual Studio 集成開發平臺環境開發。

各電氣設備內的PLC 從站接收傳感器實時采集的電氣設備水冷系統主要設備運行數據、狀態及報警信息，經PLC 組態軟件進行數據處理后，在全船電氣設備水冷集中顯控臺上進行顯示。同時，PLC接受顯控臺指令，經內部邏輯處理后，對現場電控閥等執行器進行直接控制［11］。

水冷監控與保護流程圖如圖8 所示。

圖8 水冷監控與保護流程圖

水冷監控與保護的實現流程分為4個部分:

(1)系統初始化。系統通電、通水，PLC 軟件、顯控臺軟件自動運行，并進行通訊設置和參數配置。

(2)控制指令下達。操作人員通過顯控臺人機交互界面軟件下達控制指令，PLC 軟件接收指令并進行內部邏輯處理，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、模擬量輸出模塊對現場電控閥等執行器進行直接控制。

(3)信息顯示及報警。傳感器實時采集的電氣設備水冷系統主要設備運行數據、狀態及報警信息，上傳至PLC 的離散量混合輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊，經PLC 組態軟件進行數據處理后，在顯控臺上進行顯示及報警。

(4)故障分析與處理。系統在顯控臺上通過聲光報警、文字形式正確反應電氣元件發生的故障或者不正常運行狀態，并迅速而有選擇性地下達指令切除故障。

3.9 系統水冷器件的維護方案

系統在各水冷器件的進、出水口位置都設置有球閥，可單獨實現開和關;一旦器件需要更換，就將相應的球閥關斷，放出器件內部冷卻介質就可實現更換器件的要求。

4 試驗與應用

電氣設備水冷試驗系統、液冷試驗機柜組成、風冷試驗機柜組成如圖(9～11)所示。電氣設備水冷試驗系統主要針對電源裝置模擬機柜開展風、液冷對比試驗，由電源設備、液冷試驗機柜、風冷試驗機柜、液冷源組成。風冷試驗機柜總熱功耗為10 kW，液冷試驗機柜總熱功耗為50 kW，兩機柜外形尺寸相同，均采用5塊冷板，對兩套冷卻系統的散熱能力、噪音和體積進行對比試驗。

圖9 電氣設備水冷試驗系統

圖10 液冷試驗機柜組成示意圖

圖11 風冷試驗機柜組成示意圖

4.1 體積對比

對于風、液冷試驗機柜來說，風冷試驗機柜熱功耗10 kW，液冷試驗機柜熱功耗50 kW，從電子設備的集成化程度考慮，1個液冷試驗機柜相當于5個風冷試驗機柜。從整個系統來看，風冷試驗機柜散熱需有風機和空調，液冷試驗機柜需有二次冷卻單元即液冷源，對于50 kW 的熱功耗，所需而液冷源體積遠小于所需空調體積?？梢?，采用液冷系統的總體積遠小于采用風冷系統的總體積。

4.2 能耗對比

風冷試驗機柜能耗主要是電，包括模擬熱源耗電、風機耗電和空調耗電;液冷試驗機柜能耗有電和水，包括模擬熱源耗電、水泵耗電以及冷卻用水。

對于同等熱功耗(50 kW)的風冷和液冷系統，風冷系統所需耗電量約為50 kW(熱源耗電)+5×0.39 kW(風機耗電)+50 kW(空調耗電)=102 kW;液冷系統所需耗電量約為50 kW(熱源耗電)+5 kW(泵耗電)=55 kW;液冷系統用水量為100 L/min。

4.3 散熱效能試驗

散熱效能試驗主要是對風冷試驗機柜與液冷試驗機柜的散熱效果進行對比。

如圖9 所示，本研究先對液冷試驗機柜進行通液，穩定后打開電源通電，調節電源電壓、電流，使其總功率達50 kW，待各監測溫度顯示穩定時，記錄各點的監測溫度。對于風冷試驗機柜，首先打開風機，然后連通電源，調節相應電壓、電流，使其總功率達10 kW，待各監測溫度顯示穩定時，記錄各點的監測溫度。從兩機柜上各點的檢測溫度可以直觀看出風冷與液冷的散熱效果。

試驗表明，液冷試驗機柜溫度低于風冷試驗機柜10 ℃左右，液冷散熱大大提高了電氣設備的散熱效率。

4.4 噪音試驗

噪音試驗主要是為了對比風冷試驗機柜與液冷試驗機柜的噪音大小，把風冷試驗機柜與液冷試驗機柜置于同一密閉房間中，用噪音測試設備檢測兩機柜的噪音進行對比。

液冷試驗機柜的噪聲源主要來自水泵工作時電機會產生噪音，同時冷卻液在管路中循環流動時會產生噪音;風冷試驗機柜來自風扇工作時電機會產生噪音。測量點選在距離風冷試驗機柜與液冷試驗機柜四周1 m的范圍內，從地面算起高度為1 m 的點作為測定點，記錄測量數值。

試驗表明，液冷試驗機柜溫度低于風冷試驗機柜6 dB，液冷散熱大大降低了電氣設備的空氣噪聲。

5 結束語

針對船舶電氣設備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，本研究對電源裝置、計算機機柜、動力電站、推進電機等大功率電氣設備采用液冷散熱，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、全船冷卻系統等用電負荷用電量，是節能減排的有效措施。

典型船舶電氣設備水冷系統由大功率電氣設備本體、水冷板、循環水系統、熱交換器、監控與保護裝置、和管路附件。本研究以50 kVA 電源裝置的水冷系統實現為實例，全面闡述了船舶電氣設備水冷系統的設計、監控與保護、維護、試驗等，并開展聯調試驗和實際應用。在聯調試驗和船舶電氣設備上對該水冷系統進行了實際應用，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。

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