艦船電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)

肖本德

【摘要】本文通過介紹熱量傳遞的方式、散熱方式的選擇、艦船電子設(shè)備的自然散熱設(shè)計(jì)等幾方面闡述了艦船電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的一般原則。

【關(guān)鍵詞】艦船;電子設(shè)備;熱設(shè)計(jì)

1.引言

艦船電子設(shè)備內(nèi)部存在大量的元器件，電子設(shè)備在工作過程中這些元器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，設(shè)備內(nèi)部的溫度也隨之升高，當(dāng)溫度升高到一定的程度將會(huì)影響設(shè)備的正常工作，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)艦船電子設(shè)備進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)是艦船電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，是保證艦船電子設(shè)備能否安全可靠工作的重要條件之一，它對(duì)于提高艦船電子設(shè)備的工作可靠性，延長其使用壽命具有非常重要的意義。

2.傳熱的基本形式及原理

2.1 熱傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是熱量在直接接觸的兩個(gè)物體之間傳遞。其物理本質(zhì)是物質(zhì)微粒通過微觀熱運(yùn)動(dòng)以內(nèi)能的形式在接觸面上傳遞。

利用熱傳導(dǎo)散熱可采用以下措施：（1）采用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料制作導(dǎo)熱零件。導(dǎo)熱系數(shù)以金屬為最大，非金屬次之;—般采用鋁型材作為散熱零件。（2）加大與熱傳導(dǎo)零件的接觸面積?？諝鈱?dǎo)熱系數(shù)小，如果兩物體之間接觸不好有空氣，則空氣起到隔熱作用，導(dǎo)熱量減少;因此應(yīng)壓力均勻地增大接觸壓力（減小接觸面粗糙度）以排除空氣減小熱阻。

2.2 熱對(duì)流

對(duì)流是依靠發(fā)熱物體周圍的流體介質(zhì)的流動(dòng)將熱量轉(zhuǎn)移的過程。由于流體運(yùn)動(dòng)的原因不同，可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種。自然對(duì)流由溫差引起.是由于流體冷熱不均，各部分密度不同引起介質(zhì)自然的運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)迫對(duì)流是受機(jī)械力作用（如軸流風(fēng)機(jī)）促使流體運(yùn)動(dòng)，促使流體高速流過發(fā)熱物體表面以加強(qiáng)對(duì)流作用。兩種對(duì)流方式的比較如表1所示：

表1 自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的比較

對(duì)流方式 熱阻 結(jié)構(gòu) 控制

自然對(duì)流 較高 簡單 被動(dòng)的，不可以控制

強(qiáng)迫對(duì)流 較低 復(fù)雜，需外加能源使散熱劑流動(dòng) 主動(dòng)的，可以控制

利用熱對(duì)流散熱可采用以下措施：（1）加大溫差△t，即降低散熱物體周圍對(duì)流介質(zhì)的溫度。（2）加大散熱器的散熱面積;采用有利于對(duì)流散熱的形狀：將散熱器做成肋片、直尾形和叉指形等。（3）加大對(duì)流介質(zhì)的流動(dòng)速度，選用有利于對(duì)流散熱的介質(zhì)，帶走更多的熱量。

2.3 熱輻射

輻射是熱量以電磁波的形式向外傳播。由于溫度升高，物體原子中電子振動(dòng)的結(jié)果引起了輻射，任何物體都在不斷地輻射能量;這種能量落在其他物體上，一部分被吸收，一部分被反射，另一部分要穿透該物體;物體所吸收的那部分能量就轉(zhuǎn)化為熱能。

利用熱輻射散熱可采用以下措施：（1）增加散熱表面粗糙度，粗糙表面熱輻射的能力較大。如將艦船用加固計(jì)算機(jī)箱體表面噴無光黑漆以增加熱輻射作用。（2）加大輻射體與周圍環(huán)境溫差，即周圍介質(zhì)溫度越低越好。

（3）增大輻射體表面積。

3.散熱方式的選擇

艦船電子設(shè)備的散熱方式主要有自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體散熱等幾種。散熱方式的選擇需根據(jù)具體情況確定;通常主要考慮艦船電子設(shè)備的體積功率密度。

3.1 自然散熱

自然散熱是指在不使用外部輔助能量的情況下，通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的方式將熱量帶走。因此在設(shè)計(jì)中盡量減小大功耗器件和外殼之間的熱阻，讓熱量快速傳到外部。如在柜體上開通風(fēng)孔利于空氣對(duì)流作用;同時(shí)，進(jìn)出風(fēng)口要開在溫差最大的兩處，進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)在柜低，出風(fēng)口設(shè)計(jì)在柜頂，這樣會(huì)大幅增加散熱的效率。

3.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷

強(qiáng)迫風(fēng)冷關(guān)鍵是要建立有效的氣流通道，將熱量按設(shè)計(jì)好的路徑從各單元傳送到設(shè)備外部。系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口不可太近，否則容易出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象。強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)中風(fēng)源的產(chǎn)生有兩種方法：一是在艦船電子設(shè)備內(nèi)部采用軸流風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，以加速空氣流量，利于電子器件的快速散熱;二是在柜體本身開設(shè)多個(gè)通風(fēng)孔，通過外部氣源經(jīng)通風(fēng)孔鼓風(fēng)，以達(dá)到散熱的效果。

3.3 液體散熱

液體散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程：確定散熱方式—選擇散熱液—傳熱計(jì)算—確定散熱流量和流速—選擇熱交換機(jī)—計(jì)算散熱液的溫差—確定二次散熱的流量—計(jì)算熱交換機(jī)中換熱系數(shù)、傳熱面積，并對(duì)交換機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—計(jì)算散熱系統(tǒng)的阻力損失—選擇泵和電機(jī)。在選擇液體散熱時(shí)，首選直接液體散熱，如果達(dá)不到要求，可選擇間接液體散熱的方式。

3.4 各種散熱方法的熱流密度和體積功率密度

溫升為40℃時(shí)，各種散熱方法的熱流密度和體積功率密度值如圖1和圖2所示。

圖1 溫升為40℃時(shí)的各種散熱方法對(duì)應(yīng)熱流密度

圖2 溫升為40℃時(shí)各種散熱方法對(duì)應(yīng)體積功率密度

3.5 根據(jù)熱流密度和溫升的要求進(jìn)行選擇

按照?qǐng)D3關(guān)系進(jìn)行散熱方法的選擇，適用于溫升要求不同的各類設(shè)備的散熱。

圖3 溫升要求不同的各類設(shè)備的散熱

3.6 散熱方法選擇示例

一功耗300W的電子組件，將其安裝在248mm×381mm×432mm的機(jī)箱里，在正常室溫的空氣中工作，是否需要對(duì)機(jī)箱采取特殊的散熱措施？

體積功率密度：

熱流密度：

由于很小，而值與圖l中空氣自然散熱的最大熱流密度比較接近，因此不需要采取特殊的散熱方法，依靠空氣的自然對(duì)流散熱就可以了。若采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，熱流密度為820W/m2時(shí)，可以將機(jī)箱表面積設(shè)計(jì)減小一半。

作為艦船上艙室外的設(shè)備，由于海上環(huán)境比較潮濕、酸性比較大;對(duì)設(shè)備內(nèi)部的元器件腐蝕很嚴(yán)重，一般考慮密閉設(shè)計(jì)。一般在密閉設(shè)備的印制插件上加裝導(dǎo)熱板，使器件產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱板傳到機(jī)殼上，然后通過機(jī)殼將熱量散到機(jī)外。

作為艦船上艙室內(nèi)的設(shè)備，一般采用“自然散熱+強(qiáng)迫風(fēng)冷”的組合方式。

4.艦船電子設(shè)備的自然散熱設(shè)計(jì)

4.1 元器件熱設(shè)計(jì)

印制板上的元器件散熱，主要依靠傳導(dǎo)提供一條從元器件到印制板的低熱阻路徑以帶走元器件的熱量，降低元器件的溫升。

為了降低熱阻，一般用導(dǎo)熱硅膠將元器件直接粘到印制板上;安裝大功率器件時(shí)，一般先用導(dǎo)熱硅膠將其與散熱型材粘接在一起然后再將一整體固定到印制板上;有大、小規(guī)模的集成電路混合安裝的情況下，應(yīng)盡量把大規(guī)模的集成電路放在散熱氣流的上游，小規(guī)模的放在下游，以使印制板上的器件溫升趨于均勻。

4.2 印制板熱設(shè)計(jì)

常用的PCB板為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，多層板結(jié)構(gòu)有利于PCB的散熱;其法向和平行方向的導(dǎo)熱性能差異很大，通常平行方向的導(dǎo)熱能力要強(qiáng)于法向方向。為了增加PCB的導(dǎo)熱能力，可采用鉚接導(dǎo)熱條進(jìn)行散熱。

由于印制板導(dǎo)線通電后溫升過高，需選擇厚一點(diǎn)的銅箔，同時(shí)增大銅箔表面積。對(duì)于雙面裝有器件的區(qū)域，為改善散熱，可以在焊膏中摻入少量的細(xì)小銅料，以增加焊點(diǎn)高度，使器件與印制板間隙加大，增大對(duì)流散熱的效果。金屬化過孔時(shí)孔徑、盤面大一些利于散熱。大功耗的器件如無法避免需集中放置，則要將矮的元器件放在氣流的上游，以保證冷卻風(fēng)量經(jīng)過熱耗集中區(qū)。

4.3 傳導(dǎo)熱設(shè)計(jì)

導(dǎo)熱通路中的接觸熱阻是由于兩個(gè)相互接觸的面之間的貼合不完全，而是只有某些點(diǎn)接觸所致。因此在降低表面粗糙度的同時(shí)適當(dāng)增加兩個(gè)接觸面上的壓力可以減小接觸熱阻。一般將發(fā)熱量大的器件直接與安裝底板剛性聯(lián)接，通過底板將熱量傳導(dǎo)到機(jī)殼上。

4.4 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

采用自然散熱的艦船電子設(shè)備機(jī)箱、機(jī)柜、顯控臺(tái)等熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在保證設(shè)備承受外部各種電磁環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力的前提下，充分利用傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射，最大限度地把元器件產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去以保證設(shè)備正常可靠地工作。

具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）艦船電子設(shè)備機(jī)箱在滿足電磁兼容環(huán)境及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量多開一些散熱通風(fēng)孔，以及通過箱體利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱;（2）艦船電子設(shè)備機(jī)柜上發(fā)熱量大的器件固定在底板上時(shí)與機(jī)殼之間應(yīng)留有一定的散熱空間，距離一般應(yīng)大于35 mm，同時(shí)要靠近通風(fēng)口安裝，利用對(duì)流進(jìn)行散熱;（3）艦船電子設(shè)備機(jī)柜后蓋板開孔以作為氣流的通道，開孔的大小與散熱空氣進(jìn)出流速相適應(yīng);遵循進(jìn)出風(fēng)口距離盡量遠(yuǎn)，且進(jìn)風(fēng)口在柜底，出風(fēng)口在柜頂?shù)脑瓌t;柜體與底座要?jiǎng)傂月?lián)接，接觸面清潔、光滑、面積盡可能大;（4）艦船電子設(shè)備機(jī)柜柜體、顯控臺(tái)臺(tái)體內(nèi)外表面涂漆利用輻射降低內(nèi)部器件的溫度;（5）艦船電子設(shè)備機(jī)柜、顯控臺(tái)在利用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為避免氣流回流，進(jìn)風(fēng)口面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和。

5.結(jié)束語

艦船電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，有待解決的問題很多。在艦船電子設(shè)備的散熱中，必須將元器件產(chǎn)生的熱量從元器件傳到最終散熱體。為了使器件保持較低溫度，必須使器件與最終散熱體的熱阻最小，提高工作可靠性，減少經(jīng)濟(jì)損失，這樣才能保證艦船電子設(shè)備正常可靠地工作。

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