某水下電子艙散熱問題分析及改進(jìn)驗(yàn)證?

付佳杰 彭阿靜 武 雷

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、生物資源、礦產(chǎn)資源和可再生能源資源等，是人類賴以生存和發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間［1～2］。黨的十八大報(bào)告首次完整提出了中國海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)：提高海洋資源開發(fā)能力、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國［3］。黨的十九大報(bào)告又進(jìn)一步闡述了通過加快發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋環(huán)境、創(chuàng)新海洋科技、海上絲路合作、維護(hù)海洋權(quán)益等實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國的目標(biāo)［4］。海洋工程裝備作為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國的重要工具，越來越受到世界各沿海國家的重視，而水下電子艙是水下無人航行器、海底監(jiān)測(cè)網(wǎng)、潛標(biāo)等海洋工程裝備的重要組成部分。

水下電子艙內(nèi)部裝有多個(gè)集成度很高的電子設(shè)備機(jī)箱。研究表明，電子設(shè)備的失效有55%比例是溫度超過規(guī)定值造成的［5～7］。著名的“10℃法則”指出：器件環(huán)境溫度每升高10℃，其可靠性會(huì)降低50%［8～10］。本文針對(duì)某水下電子艙出現(xiàn)的散熱問題進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效。

2 水下電子艙結(jié)構(gòu)

某水下電子艙結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該水下電子艙包括密封殼體、機(jī)架、電子機(jī)箱1～電子機(jī)箱5 等。密封殼體采用圓柱筒體與端蓋組成的密封耐壓殼體，為電子機(jī)箱在水下工作提供干燥的環(huán)境，5 個(gè)電子機(jī)箱通過機(jī)架安裝固定在密封殼體內(nèi)部。為了保證密封殼體在海水環(huán)境下長(zhǎng)期工作而不被腐蝕，密封殼體選用鈦合金材料制作。電子機(jī)箱1～電子機(jī)箱5 內(nèi)部集成了電源模塊、信號(hào)處理模塊、功放模塊和數(shù)據(jù)計(jì)算模塊等，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此在裝進(jìn)水下電子艙前，電子機(jī)箱均通過了（-10～+50）℃的高低溫試驗(yàn)。

圖1 某水下電子艙結(jié)構(gòu)示意圖

3 問題現(xiàn)象及分析確認(rèn)

3.1 問題現(xiàn)象及初步分析

電子艙在調(diào)試過程的初期一切工作正常，拷機(jī)約3 小時(shí)后，該電子艙內(nèi)的信號(hào)處理電子機(jī)箱出現(xiàn)宕機(jī)，無任何響應(yīng)，用手觸摸電子艙外壁，其溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，初步分析為電子機(jī)箱工作過程中產(chǎn)生熱量，使得密封電子艙內(nèi)溫度升高，由于密封殼體內(nèi)部空氣流動(dòng)緩慢，無法將電子艙內(nèi)部溫度及時(shí)傳導(dǎo)至艙外，導(dǎo)致電子艙內(nèi)溫度過高，超過電子機(jī)箱的正常工作溫度范圍。

3.2 問題原因確認(rèn)

機(jī)箱設(shè)計(jì)的正常工作溫度范圍為（-10 ～ +50）℃。為了驗(yàn)證上述初步分析，需要知道工作期間，電子艙內(nèi)的溫度是否超過設(shè)備機(jī)箱的正常工作溫度范圍。通過在電子艙內(nèi)安裝熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電子艙內(nèi)部溫度值。通過連續(xù)200min 的監(jiān)測(cè)，將采集到的艙內(nèi)外溫度及艙內(nèi)外溫差變化繪制成曲線，如圖2 所示。從該圖中可看出，在環(huán)境溫度范圍（24.7～28.8）℃條件下，各電子機(jī)箱工作產(chǎn)生的熱量使得密封電子艙內(nèi)的溫度從環(huán)境溫度開始逐漸升高，前20min，溫度上升速度較快，直到工作約190min，電子艙內(nèi)的溫度升至最高63.3℃不再增加，表明此時(shí)溫度達(dá)到熱平衡，該熱平衡溫度已經(jīng)超過了電子機(jī)箱的正常工作范圍上限，驗(yàn)證了上述問題原因初步分析的正確性。

圖2 電子艙工作時(shí)艙內(nèi)外溫度及艙內(nèi)與艙外溫差變化曲線

4 改進(jìn)方案

4.1 改進(jìn)方案原理

由于各電子機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)均已考慮散熱問題，且均通過了高低溫試驗(yàn)的考核，故本改進(jìn)方案不對(duì)電子機(jī)箱進(jìn)行改動(dòng)。由熱力學(xué)公式知，熱流密度與溫升之間的關(guān)系為

式中，q 為熱流密度；h 為對(duì)流傳熱系數(shù)；Δt 為溫升?？梢姡瑢?duì)于該電子艙系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的總功耗和電子艙密封殼體的散熱面積一定，即熱流密度q一定，只能通過增加對(duì)流傳熱系數(shù)h 來降低電子艙內(nèi)部的溫升。在工程應(yīng)用中，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱被驗(yàn)證為是一種較好的冷卻方法，工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對(duì)較低，在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用，同時(shí)也是高功率器件采取的主要散熱形式［11～12］。本改進(jìn)方案就是通過增加風(fēng)扇采取強(qiáng)迫風(fēng)冷的方法，加大電子艙內(nèi)部空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)h來降低溫升。

4.2 改進(jìn)方案實(shí)施

在電子艙內(nèi)沿軸向方向左右兩側(cè)各安裝一排風(fēng)扇，其中左側(cè)風(fēng)向一致，全部為進(jìn)風(fēng)，右側(cè)風(fēng)向一致，全部為出風(fēng)。風(fēng)扇選用電壓24V，功率5W 的直流散熱風(fēng)扇。加裝散熱風(fēng)扇后的電子艙結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。風(fēng)扇工作時(shí)，強(qiáng)制加速了電子艙內(nèi)的空氣對(duì)流速度，在電子艙內(nèi)形成一個(gè)循環(huán)的風(fēng)道，循環(huán)風(fēng)道如圖4 所示。通過這一措施大大增加了電子艙內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)。

圖3 改進(jìn)后的水下電子艙結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 電子艙內(nèi)部風(fēng)道示意圖

5 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 水面工作工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)工況一：將改進(jìn)后的電子艙放置剛沒入水面的環(huán)境，開機(jī)工作4h，通過多路溫度測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電子艙內(nèi)和艙外的溫度。導(dǎo)出本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將艙內(nèi)外溫度及艙內(nèi)與艙外溫差變化繪制曲線，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后電子艙水面工作時(shí)艙內(nèi)外溫度及艙內(nèi)與艙外溫差變化曲線

從圖5 可以看出，在環(huán)境溫度約30℃的水面條件，電子機(jī)箱工作產(chǎn)生的熱量使得密封電子艙內(nèi)的溫度從環(huán)境溫度開始逐漸升高，前20min，溫度上升速度較快，20min 后，溫度增速逐漸減緩，工作至90min 左右，電子艙內(nèi)的溫度升高至38.1℃后不再增加，此時(shí)艙內(nèi)與艙外的溫差也穩(wěn)定在（8.2～8.4）℃之間，說明此時(shí)已達(dá)到熱平衡，整個(gè)過程，電子艙內(nèi)機(jī)箱均工作正常。對(duì)比改進(jìn)前，艙內(nèi)與艙外的最大溫差由34.5℃降低至8.3℃，且熱平衡時(shí)間由190min縮短至90min，表明該驗(yàn)證措施有效。

5.2 水下工作工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)工況二：將改進(jìn)后的電子艙放置水下30m深度，開機(jī)工作4h，通過多路溫度測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電子艙內(nèi)和艙外的溫度。導(dǎo)出本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將艙內(nèi)外溫度及艙內(nèi)與艙外溫差變化繪制曲線，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后電子艙水下工作時(shí)艙內(nèi)外溫度及艙內(nèi)與艙外溫差變化曲線

從圖6 可以看出，在環(huán)境溫度約21℃的水下條件，電子機(jī)箱工作產(chǎn)生的熱量使得密封電子艙內(nèi)的溫度從環(huán)境溫度開始逐漸升高，前20min，溫度上升速度較快，20min 后，溫度增速逐漸減緩，工作至約90min，電子艙內(nèi)的溫度升高至29.3℃穩(wěn)定，此時(shí)艙內(nèi)與艙外的溫差也穩(wěn)定在（8.1～8.3）℃范圍，說明此時(shí)已達(dá)到熱平衡，整個(gè)過程，電子艙內(nèi)機(jī)箱均工作正常。對(duì)比改進(jìn)前，艙內(nèi)與艙外的最大溫差由34.5℃降低至8.2℃，且熱平衡時(shí)間由190min 縮短至90min，表明該改進(jìn)方案有效。

對(duì)比改進(jìn)后的兩種實(shí)驗(yàn)工況還發(fā)現(xiàn)，雖然兩種工況的環(huán)境溫度不一樣，但達(dá)到熱平衡的時(shí)間一致，且熱平衡后，電子艙內(nèi)與艙外的溫差接近，進(jìn)一步說明了改進(jìn)后的電子艙在允許的不同外界環(huán)境溫度下工作時(shí)，均能以較快的速度達(dá)到熱平衡，且熱平衡后艙內(nèi)與艙外的溫差均恒定控制在較小的范圍。

6 結(jié)語

水下電子艙工作在水下，良好的外部液態(tài)冷卻環(huán)境會(huì)讓設(shè)計(jì)者忽視系統(tǒng)總成后的散熱問題。本文針對(duì)某水下電子艙出現(xiàn)的散熱不良導(dǎo)致工作不正常的現(xiàn)象，通過采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式加大了電子艙內(nèi)部的熱傳導(dǎo)速度，將電子艙內(nèi)部的溫升由原34.5℃降低至8.2℃，實(shí)驗(yàn)證明了該措施有效，對(duì)其它水下電子艙的散熱設(shè)計(jì)起到借鑒作用。