船舶電氣設(shè)備高效冷卻方案研究與應(yīng)用

謝 坤

(1. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2. 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

船舶電氣設(shè)備高效冷卻方案研究與應(yīng)用

謝 坤1,2

(1. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2. 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

針對船舶電氣設(shè)備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，將氣液交換器、液冷板、熱管等應(yīng)用到船舶電氣設(shè)備高效冷卻系統(tǒng)中。對該系統(tǒng)的工作流程進行分析，建立電氣設(shè)備本體、高效冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控與保護裝置之間的關(guān)系，提出了船舶電氣設(shè)備高效冷卻方案。在聯(lián)調(diào)試驗和船舶電氣設(shè)備上對該高效冷卻方案進行了實際應(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。

船舶電氣設(shè)備 冷卻 氣液交換器 液冷板 熱管

0 引言

氣液交換器、液冷板、熱管等高效冷卻方案在各行各業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，如空調(diào)、汽車、拖拉機、坦克的發(fā)動機散熱，醫(yī)療設(shè)備、臺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。僅從應(yīng)用場合來看，國內(nèi)外正在各行各業(yè)應(yīng)用成熟的電氣設(shè)備高效冷卻技術(shù)，我國船舶電氣設(shè)備高效冷卻領(lǐng)域還有一定應(yīng)用差距[1,2]。

隨著船舶電氣設(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，直接影響到電氣設(shè)備的工作性能。風(fēng)扇散熱是目前電氣設(shè)備冷卻使用得最普遍的形式。然而，隨著電子元器件發(fā)熱功率的迅速增長，風(fēng)扇散熱器也隨之進行了改進，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，而且增加風(fēng)扇散熱器的空氣噪聲，風(fēng)冷技術(shù)已不能滿足芯片日益增長的散熱要求。

相較于傳統(tǒng)的散熱方式，在電氣設(shè)備上采用高效冷卻方式具有以下優(yōu)點[3,4,5]：

1）高效冷卻方式散熱效率高；

2）高效冷卻方式的溫度容易控制；

3）電氣設(shè)備內(nèi)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）大功率電氣設(shè)備采用高效冷卻方式時，模塊、機架的結(jié)構(gòu)尺寸較小，重量輕；

5）采用高效冷卻方式可以減小溫度的波動和循環(huán)，提供較低的熱阻通路。

對電氣設(shè)備采用高效冷卻方式散熱，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)用電負(fù)荷用電量，減小對艙室空氣噪聲的影響，是節(jié)能減排降噪的有效措施。

1 主要熱負(fù)荷現(xiàn)狀分析

船舶長時航行時，長期連續(xù)運行且發(fā)熱量較大的需重點控制設(shè)備主要有三類：電加熱類、輔機電動機類、電源類。針對這些長期連續(xù)運行且發(fā)熱量較大的需重點控制設(shè)備，通過設(shè)備本身效率指標(biāo)控制、采用節(jié)能型部件及控制原理等實現(xiàn)設(shè)備的熱負(fù)荷控制。另一方面，熱耗比較集中的區(qū)域如廚房、集控艙、逆變電源艙、輔機電動機艙應(yīng)考慮進行區(qū)域熱負(fù)荷集中控制。

2 主要高效冷卻方案

電氣設(shè)備的高效冷卻方式主要有氣液交換器式、液冷板式、熱管式等幾種，下面分別進行方案研究與應(yīng)用。

2.1 氣液換熱式冷卻方案

氣液換熱式冷卻方案，即氣液熱交換器換熱冷卻設(shè)備內(nèi)部空氣，通過風(fēng)扇實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部冷熱空氣循環(huán)，同時通過液體冷卻介質(zhì)帶走熱交換器的熱量，從而不斷降低設(shè)備內(nèi)部空氣溫度[6]。

圖1 水-氣熱交換器工作示意圖及實物

如圖1所示，氣液熱交換器外桂于機柜側(cè)面，氣液熱交換器工作時，熱空氣從上部吸入，經(jīng)過熱交換器降溫后變?yōu)槔淇諝鈴南虏颗懦?，在風(fēng)扇和熱交換器的共同作用下使機柜內(nèi)的空氣在內(nèi)部循環(huán)，從而達到降低機柜內(nèi)部溫度的目的。

表1 氣液換熱式冷卻方案主要優(yōu)缺點

氣液換熱式冷卻方案主要優(yōu)缺點見表 1。由于氣液熱交換器的安裝需要占用設(shè)備的空間，降低了設(shè)備內(nèi)空間的利用率。氣液換熱式冷卻方案主要針對一體化控制臺、一體化機柜開展專用設(shè)計，將氣液熱交換器安裝于一體化控制臺、一體化機柜取代原風(fēng)扇散熱，提高了設(shè)備發(fā)熱元器件的散熱效率。

2.2 液冷板式冷卻方案

液冷板式冷卻，液冷板通常與元器件一起模塊化安裝，液冷板內(nèi)部通流體，通過流體的流動帶走元器件上產(chǎn)生熱量，達到高效散熱的目的。

如圖2所示，液冷板通常與元器件一起模塊化安裝，液冷板既承擔(dān)著元器件的散熱，同時又是元器件的安裝基體。液冷板一般由主板、背板、進出水嘴等零部件組成，內(nèi)部流道設(shè)計成多通道結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)部通流體，通過流體的流動帶走元器件上產(chǎn)生熱量，達到高效散熱的目的。多通道結(jié)構(gòu)的液冷板由于通道數(shù)較多，液冷板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，通道內(nèi)冷卻液流態(tài)多控制在層流范圍內(nèi)[7]。

如圖3所示，液冷機箱首先滿足在相關(guān)機械性能和環(huán)境性能要求下正常運行，實現(xiàn)信號的傳輸；還要實現(xiàn)電子元器件的散熱功能，通過液體在機箱背板和板卡模塊循環(huán)，流出機箱帶走板卡上電子元器件產(chǎn)生的熱量，達到高效散熱的目的。

圖2 液冷板工作示意圖

圖3 液冷機箱工作示意圖

液冷板式冷卻方案主要優(yōu)缺點見表2所示。

液冷板式冷卻方案針對電氣設(shè)備發(fā)熱元器件開展模塊化設(shè)計，便于與電氣設(shè)備發(fā)熱元器件進行模塊化安裝，不降低設(shè)備內(nèi)寶貴空間的利用率，也利于電氣設(shè)備元器件的綜合保障，而且不影響電氣設(shè)備的選用，是比較通用的水冷應(yīng)用方案。

2.3 熱管式冷卻方案

熱管式冷卻方案，即封閉的管殼中充以工作介質(zhì)，利用工作介質(zhì)的相變吸熱和放熱進行熱交換，熱管的導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬。

如圖4所示，熱管工質(zhì)（冷凝液）在蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)；蒸汽在小壓差推動下流向冷凝段；在冷凝段，蒸汽工質(zhì)向外放出熱量，冷凝成液體；冷凝液在吸液芯毛細力的推動下回流至蒸發(fā)段，重新開始循環(huán)。

a）舷外熱管式冷卻方案

如圖5所示，舷外熱管式冷卻方案采用分離式熱管換熱器結(jié)構(gòu)，由蒸發(fā)段和冷凝段、中間兩相流道及相關(guān)支承裝置組成。在耐壓殼體上開兩個孔，分別連接蒸汽管和冷凝管。通過舷外海水自流冷卻冷凝段。為了減少熱管流阻，設(shè)備建議集中布置在舷側(cè)。

b）舷內(nèi)熱管式冷卻方案

如圖6所示，舷內(nèi)熱管式冷卻方案將蒸發(fā)端安裝在設(shè)備里面，與設(shè)備發(fā)熱元器件做成一體，或者通過集熱器將發(fā)熱元器件的熱量集中至蒸發(fā)端；將冷凝端安裝在設(shè)備外側(cè)，冷凝端和蒸發(fā)端通過管道連接，管道在設(shè)備外殼處密封處理。最后將全船水冷系統(tǒng)或空調(diào)冷媒水系統(tǒng)接入并通過冷凝端，由冷卻水將熱量帶走。

圖4 熱管工作示意圖

圖5 舷外熱管示意圖

圖6 舷內(nèi)熱管示意圖

c）舷內(nèi)熱管耐壓殼體貼合式冷卻方案

如圖7所示，舷內(nèi)熱管耐壓殼體貼合式冷卻方案將蒸發(fā)端安裝在設(shè)備里面，與設(shè)備發(fā)熱元器件做成一體，或者通過集熱器將發(fā)熱元器件的熱量集中至蒸發(fā)端；將冷凝端貼合耐壓殼體，冷凝端和蒸發(fā)端通過管道連接，管道在設(shè)備外殼處密封處理。通過耐壓殼體冷卻冷凝段，舷外海水自流帶走耐壓殼體的熱量。為了減少熱管流阻，設(shè)備建議集中布置 在舷側(cè)。

表2 液冷板式冷卻方案主要優(yōu)缺點

圖7 舷內(nèi)熱管貼合耐壓殼體示意圖

熱管式冷卻方案主要優(yōu)缺點見表3所示。

2.3 方案對比

從冷卻效率、能耗、振動噪聲、體積重量、安全性、技術(shù)成熟度等方面，對液冷板式冷卻方案、氣液換熱式冷卻方案、熱管式冷卻方案等幾種主要冷卻方案進行對比，見表4所示。

液冷板式冷卻方案針對電氣設(shè)備發(fā)熱元器件開展模塊化設(shè)計，便于與電氣設(shè)備發(fā)熱元器件進行模塊化安裝，不降低設(shè)備內(nèi)寶貴空間的利用率，也利于電氣設(shè)備元器件的綜合保障，而且不影響電氣設(shè)備的選用，是比較通用的水冷應(yīng)用方案。

由于氣液熱交換器的安裝需要占用設(shè)備的空間，降低了設(shè)備內(nèi)寶貴空間的利用率。氣液換熱式冷卻方案主要針對一體化控制臺、一體化機柜開展專用設(shè)計，將氣液熱交換器安裝于一體化控制臺、一體化機柜取代原風(fēng)扇散熱，提高了設(shè)備發(fā)熱元器件的散熱效率。

由于熱管外殼真空部分制造工藝復(fù)雜、成本高、加工受到限制，待技術(shù)成熟后可推廣應(yīng)用。

對電氣設(shè)備等獨立設(shè)備建議采用液冷板式冷卻方案開展相關(guān)優(yōu)化改進工作，對一體化控制臺、一體化機柜等設(shè)備可采用水-氣熱交換器應(yīng)用方案開展相關(guān)優(yōu)化改進工作[8]。

通過開展電源裝置水冷模擬裝置原理樣機、水冷一體化控制臺原理樣機的研制，電氣設(shè)備高效冷 卻方式已較成熟，具有一定的可行性[9]。

表4 幾種主要冷卻方案優(yōu)缺點

3 結(jié)束語

針對電氣設(shè)備體積大、功耗高、散熱差、噪音高等問題，對電氣設(shè)備采用高效冷卻方式，不僅可以提高電氣設(shè)備工作的性能，降低電氣設(shè)備產(chǎn)生的振動噪聲，而且能夠減少全船通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等用電負(fù)荷用電量，是節(jié)能減排的有效措施。但對電氣設(shè)備采用高效冷卻方式，會增加水冷部件的體積、重量，而且對水冷系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。

開展電氣設(shè)備高效冷卻方案研究與應(yīng)用時，應(yīng)廣泛合作，在分析冷卻需求的基礎(chǔ)上，開展測量性設(shè)計，依據(jù)設(shè)備自身特性、布置艙室、運行工況等選擇合理的冷卻技術(shù)方案。

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Research and Application of Efficient Cooling System for Shipboard Electrical Equipment

Xie Kun1,2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Aimed at some questions such as large volume, high power consumption, poor heat dissipation, high noise of shipboard electrical equipment, the gas-liquid exchanger, cooling plate and heat pipe are applied to the efficient cooling system of shipboard electrical equipment. With the analysis of this working flow, the relationship among the electrical equipment bodies, the efficient cooling system and the monitoring and protection device are established. The efficient cooling plan of shipboard electrical equipment is put forward. The system is applied to kinds of experiments and ships. The results indicate that the system can improve power density, stability, cooling efficiency, and noise level, and it can also ensure the superiority of volume, power, heat and noise for ship electrical equipment.

shipboard electrical equipment; cooling; gas-liquid exchanger; cooling plate; heat pipe

TN830.5

A

：1003-4862（2017）02-0033-05

2016-10-09

謝坤（1986-），男，博士研究生，工程師。專業(yè)方向：舶電氣自動化方面。E-mail: nukeix@qq.com