海底接駁盒裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及其熱分析

李加平，齊爾麥，張華勇

（國家海洋技術(shù)中心，天津　300112）

海底接駁盒裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及其熱分析

李加平，齊爾麥，張華勇

（國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

針對海底接駁盒裝置的散熱方式及結(jié)構(gòu)進行了研究探討?；跓醾鲗釞C理，設(shè)計了一種圓柱內(nèi)壁面結(jié)合螺桿頂緊的散熱結(jié)構(gòu)，使接駁盒裝置的散熱效率有所提高。針對所設(shè)計的散熱結(jié)構(gòu)進行了不同溫度下不同發(fā)熱功率下的仿真實驗，得到了相對應的最高溫度曲線。還進行了水箱接駁盒裝置的散熱實驗，與所得有限元仿真數(shù)據(jù)進行了橫向?qū)Ρ?，進一步確定了所設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)的合理性。

接駁盒裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計；散熱；有限元；仿真

海洋科學正經(jīng)歷著從海面短暫“考察”到海洋內(nèi)部作長期“觀測”的明顯變化。近年來，海底觀測網(wǎng)逐漸成為海洋觀測領(lǐng)域的研究熱點，作為觀測海洋和地球的第三種平臺，將成為今后理解和預測海洋過程的主要觀測方式之一［1］。海底觀測網(wǎng)主要由數(shù)據(jù)中心［2］（Data Center，DC）、岸基站［3］（Shore Station，SS）、接駁盒［4-5］（Junction Box，JB）、科學儀器插座模塊（Scientific Instrument Interface Module，SHM）和觀測儀器（Instrument，I）5部分組成。其中接駁盒又具體分為主接駁盒（Primary Junction Box，PJB）和次級接駁盒（Secondary Junction Box，SJB）兩類。作為海底觀測節(jié)點的接駁盒裝置是確保整個海底觀測網(wǎng)的良好運行和維護的安全環(huán)節(jié)。

接駁盒相當于網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，其基本功能是通信中繼和電能分配，根據(jù)實際需求，局部觀測系統(tǒng)還可以通過子網(wǎng)節(jié)點形成擴展的觀測系統(tǒng)，然后通過光電纜將接駁盒與骨干網(wǎng)上的某個節(jié)點連接起來。若干個這樣不同功能的觀測系統(tǒng)連接在骨干光纖上，就構(gòu)成了海底觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著觀測節(jié)點的增加，觀測設(shè)備的更新，對整個系統(tǒng)的能量需求以及信息傳輸要求日益提高，這也就對海底接駁盒裝置內(nèi)部散熱有了更高的要求。

海底接駁盒承擔的任務(wù)很多，導致其內(nèi)部的機械電氣結(jié)構(gòu)相當復雜，在大功率輸出時，其內(nèi)部電子元器件的發(fā)熱量是相當可觀的。相關(guān)研究表明，隨著溫度的升高，電子設(shè)備的使用壽命大幅度減少。電子元器件在高溫下的失效率與低溫時相比會大幅度增長，這對整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響是相當巨大的。選擇合理的散熱方式并設(shè)計適當?shù)纳釞C構(gòu)是海底接駁盒裝置研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，將接駁盒裝置密封艙內(nèi)的溫度控制在一定范圍內(nèi)是整個系統(tǒng)能夠高效可靠運行的前提。

因此，本文將結(jié)合一種中低壓接駁盒裝置的研發(fā)，運用計算機仿真計算和試驗相結(jié)合的方式，對接駁盒的散熱機理和散熱結(jié)構(gòu)進行研究探討。

1　接駁盒散熱機理

海底接駁盒裝置放置于海底，受到海上設(shè)備布放以及制造技術(shù)的限制，接駁盒裝置通常設(shè)計成一個體積較小且高度密封的金屬艙體，依靠腔體承受深海高壓，防止海水滲漏，這樣的環(huán)境條件與傳統(tǒng)散熱要求的通風、寬敞相矛盾，因此決定了常規(guī)的電子元器件散熱方式不再簡單適用。

選擇合理的散熱方式并設(shè)計適當?shù)纳峤Y(jié)構(gòu)是海底接駁盒裝置研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。而從傳熱學分析，所有的散熱方式離不開熱傳導、熱對流和熱輻射3種基本傳熱方式。因此充分掌握3種傳熱的基本方式以及散熱設(shè)計中選擇方法，是正確展開系統(tǒng)熱設(shè)計的基礎(chǔ)。

由3種傳熱機理，可以得到3種散熱方式。因為接駁盒密閉艙體內(nèi)熱輻射對整體的散熱貢獻不大，本文不做具體分析。根據(jù)熱對流的傳熱機理可知，加快分子運動增多分子數(shù)目能夠提高散熱的效率。而在密閉的接駁艙內(nèi)，其空間體積是固定的，為了提高散熱效率，增多分子數(shù)目是比較合適的方法。目前采用較多的方式是充油式散熱，可以取得較好的散熱效率，但設(shè)備操作、維護的難度也相應較大。本文所設(shè)計中低壓海底接駁盒裝置，其設(shè)計輸出功率最大為500 W，更希望通過操作較為便利的熱傳導式散熱方式實現(xiàn)接駁盒艙內(nèi)溫度的控制。根據(jù)熱傳導的傳熱機理可知，發(fā)熱源需要與密閉艙內(nèi)壁面相互接觸從而與外部海水環(huán)境構(gòu)成閉合的散熱回路。對于圓柱形密封艙體而言，以熱傳導為主要散熱方式可以選擇端蓋和圓柱內(nèi)壁面兩種散熱途徑。

熱傳導遵循傅立葉定律，即單位時間內(nèi)通過某界面的熱量與垂直該界面的溫度梯度以及截面面積成正比，數(shù)學表達式為：

式中：Q為熱流量；λ為導熱系數(shù)；A為垂直于熱流方向的截面面積；為截面法向溫度梯度。

基于熱傳導機理進行接駁盒裝置散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，研究分析元器件的功耗和產(chǎn)生的熱量，設(shè)計相應的散熱方案和實施方案。

2　散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對水下設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)及方式，近幾年國內(nèi)外已經(jīng)研究設(shè)計出了一些裝置。圖1是西班牙水下觀測接駁盒散熱結(jié)構(gòu)［7］，圖2是ALVIN號載人潛器端面散熱設(shè)計示意圖［8］。

根據(jù)熱傳導的傳熱機理可知，發(fā)熱源需要與接駁艙內(nèi)壁面相互接觸從而與外部海水環(huán)境構(gòu)成閉合的散熱回路。對于圓柱形密封艙體而言，以熱傳導為主要散熱方式可以選擇端蓋和圓柱內(nèi)壁面兩種散熱途徑。結(jié)合參考國內(nèi)外水下設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)及方式，本文針對端蓋散熱和接駁盒艙體內(nèi)壁面散熱兩種散熱方式進行了設(shè)計。

圖1　Spain艙內(nèi)結(jié)構(gòu)

圖2　ALVIN端蓋散熱結(jié)構(gòu)

圖3　散熱結(jié)構(gòu)1

圖4　散熱結(jié)構(gòu)2

兩種端蓋散熱結(jié)構(gòu)均比較簡單，且安裝方便。如圖3～圖4所示，將電源模塊直接固定在端蓋上，這種結(jié)構(gòu)節(jié)省空間且能夠及時地把熱量通過端蓋傳導出去。另一種選擇是將電源模塊固定在散熱板的兩側(cè)上，通過散熱板與端蓋連接，形成熱流量通路。

通過艙體內(nèi)壁面散熱的結(jié)構(gòu)相對端蓋散熱結(jié)構(gòu)復雜些，為了確保散熱板與內(nèi)壁面充分且緊密接觸，本文設(shè)計了一種圓柱面散熱板結(jié)合螺桿頂緊機構(gòu)的散熱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　散熱結(jié)構(gòu)3

通過散熱柱立板，利用螺釘連接將散熱板與過渡板固定為一個整體。支撐套筒起著支撐作用并提供操作空間，利用螺釘連接將電源模塊與散熱板固定在一起。通過頂緊螺桿的操作，帶動過渡板向腔體內(nèi)壁面頂緊，而過渡板、散熱板立柱、散熱板已經(jīng)固定為一個整體，所以可以完成對散熱板與過渡板的頂緊，操作可從支撐套筒的上方進行人工操作。該結(jié)構(gòu)安裝與拆卸均比較方便，人工操作也省時省力。與此同時，可以達到散熱板與腔體內(nèi)壁緊密貼合的作用。

由于端面接觸式散熱方式受限于腔體端蓋內(nèi)壁面積的影響，對于內(nèi)部發(fā)熱源多的機電裝備，一般是作為輔助的方式，壁面接觸式散熱方式由于其腔體壁面積較大，是水下機電裝備中常采用的散熱方式。根據(jù)壁面散熱式的理想情況，忽略系統(tǒng)中熱輻射所產(chǎn)生的熱阻，則系統(tǒng)散熱的總體熱阻情況如圖6所示。其中R1是電源到散熱板的熱阻，R2是散熱板到內(nèi)壁的熱阻，R3是內(nèi)壁面到外壁面熱阻，R4是電源傳到電路板熱阻，R5是電路板到內(nèi)壁熱對流熱阻，R6是外壁面?zhèn)鞯胶Ｋ刃嶙琛?/p>

圖6　熱傳導熱阻圖

由于艙內(nèi)空間體積有限且為空氣，熱對流傳導方式不是影響散熱效果的主要因素，因此在仿真模擬的時候建立合理的熱傳導路徑的散熱方式，即：熱源—R1—R2—R3—R6—海水。

3　仿真分析

熱力學分析的目的就是計算模型內(nèi)的溫度分布以及熱梯度、熱流密度等物理量［13-15］。本文分別對這上述3種結(jié)構(gòu)進行分析與仿真計算，以便對比分析選擇比較合理的結(jié)構(gòu)。由于接駁盒裝置放置在海底，而海洋可視為一個無限大的環(huán)境且海水在不斷流動和交換中。環(huán)境溫度不會隨著接駁盒裝置升溫而發(fā)生改變，即由接駁艙內(nèi)部傳導到外部環(huán)境的熱量會被及時帶走。因此，本文在仿真分析中，設(shè)定環(huán)境溫度為一個恒定值。

系統(tǒng)熱耗散功率直接導致設(shè)備升溫，對于電子設(shè)備而言，有效功率通常比所需輸出功率小，其中差額功率就轉(zhuǎn)換為熱量。對于海底接駁盒裝置，發(fā)熱源電源模塊的損耗即所產(chǎn)生的熱。本設(shè)計中電源模塊的工作效率為85%～90%，損耗功率計算公式如式（2）：

式中：Pdiss為耗散功率；Pin為輸入功率；Pout為輸出功率；η為工作效率。為了使散熱設(shè)計更偏于安全性，選擇最低轉(zhuǎn)換效率即85%來進行計算。當輸出功率值最大即為500 W時，則損耗功率為：

因此，以下在有限元仿真計算中設(shè)置發(fā)熱源的功率為75 W。

本文采用有限元仿真分析的是穩(wěn)態(tài)熱分析算法，環(huán)境溫度（即海水溫度）設(shè)定為20℃，發(fā)熱功率設(shè)定為75 W。經(jīng)計算運行后得到穩(wěn)定的接駁艙整體的溫度分布云圖如圖7～圖8所示。

圖7　結(jié)構(gòu)1溫度分布圖

圖8　結(jié)構(gòu)2溫度分布圖

從圖7中可見，最高溫度產(chǎn)生在電源模塊中間部位且最高溫度為39.045℃。這種結(jié)構(gòu)能夠非常有效地利用空間，將電源模塊直接與端蓋固定，將熱量通過端蓋傳導至海水，傳熱的效率更高。不足之處為端蓋處面積有限，無法安裝很多的電源模塊，因此這種結(jié)構(gòu)適用于對電能需求較小的接駁盒裝置。

如圖8所示，最高溫度產(chǎn)生在散熱板上末端遠離端蓋處，達到了272.06℃。這種結(jié)構(gòu)能夠有效地利用空間，在端蓋處設(shè)計一個支撐結(jié)構(gòu)，在導熱良好的鋁板兩側(cè)均可安裝電源模塊。電源模塊產(chǎn)生的熱量從鋁板傳至端蓋，然后又由端蓋將熱量導入海水中。這種機械結(jié)構(gòu)優(yōu)點為電源模塊便于安裝，結(jié)構(gòu)簡單，能夠使電源模塊與散熱鋁板充分的接觸，提高接駁艙內(nèi)的空間利用率。不足之處為散熱鋁板與端蓋處的接觸面積過小，不能使熱量及時地導出去（特別是艙內(nèi)高負載工作時），容易形成熱量積累，從而使接駁艙內(nèi)溫度急速升高。由仿真出的熱穩(wěn)態(tài)圖可以看出，最高溫度達到了272.06℃，在這樣的高溫下，艙內(nèi)電子設(shè)備是不能正常工作的，這對整個系統(tǒng)的正常工作是相當不利的。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，將其進行適當簡化，進行熱分析仿真，得到溫度分布云圖如圖9～圖10。

圖9　結(jié)構(gòu)3艙外溫度分布圖

圖10　結(jié)構(gòu)3艙內(nèi)溫度分布圖

如圖10所示，最高溫度產(chǎn)生在電源模塊中間部位且最高溫度為32.708℃。這種內(nèi)壁面貼緊的方式可以使散熱板與內(nèi)壁面充分接觸，增大了散熱面積；提供了可靠的支撐結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部布局更加穩(wěn)定。不足之處為結(jié)構(gòu)相對端蓋散熱來說復雜，增加了接駁盒整體的重量；需要較大的空間來布置散熱板及其支撐結(jié)構(gòu)，對接駁艙內(nèi)空間的利用率沒有達到最大化。

對端蓋散熱和內(nèi)壁面散熱進行對比，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)在發(fā)熱功率相同的條件下，結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)3散熱具有很明顯的優(yōu)勢，最高溫度控制均在了50℃以下，達到了電子器件穩(wěn)定工作的條件。但是結(jié)構(gòu)1由于端蓋面積有限，無法放置過多的電源模塊，而結(jié)構(gòu)3可以安裝多組電源模塊且溫度控制在合理范圍內(nèi)，所以選擇結(jié)構(gòu)3為中低壓海底接駁盒裝置的散熱機械結(jié)構(gòu)。

為了積累對后期水池實驗有參考價值的數(shù)據(jù)，利用有限元仿真分析工具中的穩(wěn)態(tài)熱求解模塊，針對機械結(jié)構(gòu)3，模擬計算了在不同的環(huán)境溫度下，不同散熱功率所產(chǎn)生的最高溫度（電源模塊中間部位），數(shù)據(jù)如表1。

表1　最高溫度數(shù)據(jù)

將其繪制在二維圖形中如圖11所示。

從以上圖表中，可以得出如下結(jié)論：

（1）環(huán)境溫度和功率損耗同時作用于最高溫度，且在環(huán)境溫度一定的情況下，功率損耗與最高溫度呈正相關(guān)關(guān)系；（2）在功耗一定的情況下，環(huán)境溫度與最高溫度的關(guān)系為，環(huán)境溫度升高值與對應最高溫度升高值呈正相關(guān)關(guān)系。

圖11　不同溫度下功耗與最高溫度關(guān)系曲線

4　試驗

為了進一步驗證所設(shè)計機械結(jié)構(gòu)的散熱性能，我們在試驗水箱中進行了接駁盒裝置散熱試驗。利用熱電偶測溫法，在水箱中進行了接駁盒裝置的散熱實驗。將多組熱電偶布放在電源模塊周圍，封裝好的接駁盒裝置放置于水池中，其中電偶布置位置如下：

圖12　熱偶分布圖

圖13　接駁艙散熱實物圖

實驗開始時，記錄各項初始的參數(shù)值分別為初始環(huán)境溫度24.1℃；總電壓380 V；總電流731 mA。則輸入功率為：

由公式（2）知，取效率為80%，則Pdiss=277.78×（1-80%）=55.556 W

實驗進行3 h后，最終各個測試點的溫度均達到穩(wěn)定值，如表2所示。

表2　熱偶溫度數(shù)據(jù)

從表中可以看出最高的兩個溫度值為T4（38.4℃）和T5（38.3℃），產(chǎn)生在電源模塊中間部位，這與仿真計算所得到的結(jié)果是一致的。

由水箱試驗與仿真計算得到數(shù)據(jù)進行對比分析，考慮等效初始環(huán)境溫度和損耗功率條件可知：仿真條件處于環(huán)境溫度25℃下，損耗功率50～75 W之間。由圖11可知，損耗功率與最高溫度為正相關(guān)，取（50，35.264），（75，37.399）兩組數(shù)據(jù)進行線性插值計算得到損耗功率為55.5 W時的最高溫度值T55.5為：

仿真計算所得數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，最高溫度值略低，相對誤差為：

分析可知誤差主要來自：（1）仿真計算中設(shè)定的環(huán)境溫度不變，而水箱試驗中，水量是有限的，環(huán)境溫度會隨著試驗進行發(fā)生緩慢上升；（2）仿真計算中簡化了散熱機械結(jié)構(gòu)，與實際情況必然有一定偏差；（3）仿真計算中設(shè)定的發(fā)熱源為電源轉(zhuǎn)換模塊，而真實實驗中除了主要發(fā)熱源，接駁艙內(nèi)其他電子設(shè)備也會產(chǎn)生一定的熱量。（4）水箱試驗時，損失功耗會隨著實驗的進行而發(fā)生變化，這將導致最高溫度值發(fā)生改變。

根據(jù)接駁盒所選元器件的工作數(shù)據(jù)及實際試驗情況知：當接駁盒內(nèi)最高溫度控制在T4以下時，其內(nèi)部電路能夠正常工作，即結(jié)構(gòu)的散熱效果能夠滿足接駁盒的散熱要求。所得到的仿真分析數(shù)據(jù)對實際結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較好的參考性。

5　結(jié)論

本文選擇了散熱效果良好、結(jié)構(gòu)合理的圓柱內(nèi)壁面散熱作為接駁艙內(nèi)部的散熱方式。通過與端蓋散熱方式的有限元熱分析實驗對比，可以清楚地得出圓柱內(nèi)壁面散熱結(jié)構(gòu)及熱傳導散熱方式具有更好的散熱效果。與此同時，針對不同環(huán)境溫度下的不同損失功率所產(chǎn)生的最高溫度進行了分析與仿真，在水箱中進行了散熱試驗，利用熱電偶測溫法測得接駁艙內(nèi)多點處的溫度升至穩(wěn)態(tài)值的變化過程。通過與仿真分析所得的數(shù)據(jù)對比，可知有限元仿真數(shù)據(jù)與水箱試驗數(shù)據(jù)具有較好的吻合度，驗證了本文所設(shè)計的散熱結(jié)構(gòu)的合理性，確保了散熱效果的良好性。

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Design and Analysis of the Heat Dissipation Structure for Seafloor Junction Box

LI Jia-ping，QI Er-mai，ZHANG Hua-yong
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

This paper studies and discusses the heat dissipation design and mechanical structure of seafloor junction box.Based on the theory of heat conduction and dissipation，a kind of cooling structure with cylindrical internal wall combining screw cap is designed to improve the cooling efficiency of the junction box.Aimed at the designed mechanical structure，simulation experiments are conducted under different temperatures and varied heating powers，so as to obtain corresponding maximum temperature curve.The heat dissipation experiment is also carried out for assessing the junction box for cooling water tank.Through comparison between the obtained finite element simulation data and water tank data，this paper confirms the feasibility of the designed heat dissipation structure.

junction box；design of mechanical structure；heat dissipation；finite element simulation

P715.5

A

1003-2029（2016）01-0051-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.008

2015-07-18

國家海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目（201505015）

李加平（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為海底觀測設(shè)備機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。E-mail：jiapingaijia@163.com