海底接駁盒裝置的散熱結構設計及其熱分析

李加平，齊爾麥，張華勇

（國家海洋技術中心，天津　300112）

海底接駁盒裝置的散熱結構設計及其熱分析

李加平，齊爾麥，張華勇

（國家海洋技術中心，天津300112）

針對海底接駁盒裝置的散熱方式及結構進行了研究探討。基于熱傳導散熱機理，設計了一種圓柱內壁面結合螺桿頂緊的散熱結構，使接駁盒裝置的散熱效率有所提高。針對所設計的散熱結構進行了不同溫度下不同發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據進行了橫向對比，進一步確定了所設計散熱結構的合理性。

接駁盒裝置；結構設計；散熱；有限元；仿真

海洋科學正經歷著從海面短暫“考察”到海洋內部作長期“觀測”的明顯變化。近年來，海底觀測網逐漸成為海洋觀測領域的研究熱點，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］。海底觀測網主要由數據中心［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。作為海底觀測節點的接駁盒裝置是確保整個海底觀測網的良好運行和維護的安全環節。

接駁盒相當于網絡中的一個節點，其基本功能是通信中繼和電能分配，根據實際需求，局部觀測系統還可以通過子網節點形成擴展的觀測系統，然后通過光電纜將接駁盒與骨干網上的某個節點連接起來。若干個這樣不同功能的觀測系統連接在骨干光纖上，就構成了海底觀測網絡系統。隨著觀測節點的增加，觀測設備的更新，對整個系統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部散熱有了更高的要求。

海底接駁盒承擔的任務很多，導致其內部的機械電氣結構相當復雜，在大功率輸出時，其內部電子元器件的發熱量是相當可觀的。相關研究表明，隨著溫度的升高，電子設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，這對整個系統工作穩定性的影響是相當巨大的。選擇合理的散熱方式并設計適當的散熱機構是海底接駁盒裝置研發的重要環節，將接駁盒裝置密封艙內的溫度控制在一定范圍內是整個系統能夠高效可靠運行的前提。

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

1　接駁盒散熱機理

海底接駁盒裝置放置于海底，受到海上設備布放以及制造技術的限制，接駁盒裝置通常設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，這樣的環境條件與傳統散熱要求的通風、寬敞相矛盾，因此決定了常規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計適當的散熱結構是海底接駁盒裝置研發的重要環節。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計中選擇方法，是正確展開系統熱設計的基礎。

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熱輻射對整體的散熱貢獻不大，本文不做具體分析。根據熱對流的傳熱機理可知，加快分子運動增多分子數目能夠提高散熱的效率。而在密閉的接駁艙內，其空間體積是固定的，為了提高散熱效率，增多分子數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，但設備操作、維護的難度也相應較大。本文所設計中低壓海底接駁盒裝置，其設計輸出功率最大為500 W，更希望通過操作較為便利的熱傳導式散熱方式實現接駁盒艙內溫度的控制。根據熱傳導的傳熱機理可知，發熱源需要與密閉艙內壁面相互接觸從而與外部海水環境構成閉合的散熱回路。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壁面兩種散熱途徑。

熱傳導遵循傅立葉定律，即單位時間內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，數學表達式為：

式中：Q為熱流量；λ為導熱系數；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構的設計，研究分析元器件的功耗和產生的熱量，設計相應的散熱方案和實施方案。

2　散熱結構設計

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

根據熱傳導的傳熱機理可知，發熱源需要與接駁艙內壁面相互接觸從而與外部海水環境構成閉合的散熱回路。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壁面兩種散熱途徑。結合參考國內外水下設備的散熱結構及方式，本文針對端蓋散熱和接駁盒艙體內壁面散熱兩種散熱方式進行了設計。

圖1　Spain艙內結構

圖2　ALVIN端蓋散熱結構

圖3　散熱結構1

圖4　散熱結構2

兩種端蓋散熱結構均比較簡單，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，這種結構節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上，通過散熱板與端蓋連接，形成熱流量通路。

通過艙體內壁面散熱的結構相對端蓋散熱結構復雜些，為了確保散熱板與內壁面充分且緊密接觸，本文設計了一種圓柱面散熱板結合螺桿頂緊機構的散熱結構，其結構圖如圖5所示。

圖5　散熱結構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壁面頂緊，而過渡板、散熱板立柱、散熱板已經固定為一個整體，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。該結構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壁面積的影響，對于內部發熱源多的機電裝備，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。根據壁面散熱式的理想情況，忽略系統中熱輻射所產生的熱阻，則系統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是散熱板到內壁的熱阻，R3是內壁面到外壁面熱阻，R4是電源傳到電路板熱阻，R5是電路板到內壁熱對流熱阻，R6是外壁面傳到海水等效熱阻。

圖6　熱傳導熱阻圖

由于艙內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種結構進行分析與仿真計算，以便對比分析選擇比較合理的結構。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境且海水在不斷流動和交換中。環境溫度不會隨著接駁盒裝置升溫而發生改變，即由接駁艙內部傳導到外部環境的熱量會被及時帶走。因此，本文在仿真分析中，設定環境溫度為一個恒定值。

系統熱耗散功率直接導致設備升溫，對于電子設備而言，有效功率通常比所需輸出功率小，其中差額功率就轉換為熱量。對于海底接駁盒裝置，發熱源電源模塊的損耗即所產生的熱。本設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。為了使散熱設計更偏于安全性，選擇最低轉換效率即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置發熱源的功率為75 W。

本文采用有限元仿真分析的是穩態熱分析算法，環境溫度（即海水溫度）設定為20℃，發熱功率設定為75 W。經計算運行后得到穩定的接駁艙整體的溫度分布云圖如圖7～圖8所示。

圖7　結構1溫度分布圖

圖8　結構2溫度分布圖

從圖7中可見，最高溫度產生在電源模塊中間部位且最高溫度為39.045℃。這種結構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，因此這種結構適用于對電能需求較小的接駁盒裝置。

如圖8所示，最高溫度產生在散熱板上末端遠離端蓋處，達到了272.06℃。這種結構能夠有效地利用空間，在端蓋處設計一個支撐結構，在導熱良好的鋁板兩側均可安裝電源模塊。電源模塊產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。這種機械結構優點為電源模塊便于安裝，結構簡單，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（特別是艙內高負載工作時），容易形成熱量積累，從而使接駁艙內溫度急速升高。由仿真出的熱穩態圖可以看出，最高溫度達到了272.06℃，在這樣的高溫下，艙內電子設備是不能正常工作的，這對整個系統的正常工作是相當不利的。

根據結構的對稱性，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　結構3艙外溫度分布圖

圖10　結構3艙內溫度分布圖

如圖10所示，最高溫度產生在電源模塊中間部位且最高溫度為32.708℃。這種內壁面貼緊的方式可以使散熱板與內壁面充分接觸，增大了散熱面積；提供了可靠的支撐結構，使內部布局更加穩定。不足之處為結構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構，對接駁艙內空間的利用率沒有達到最大化。

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

為了積累對后期水池實驗有參考價值的數據，利用有限元仿真分析工具中的穩態熱求解模塊，針對機械結構3，模擬計算了在不同的環境溫度下，不同散熱功率所產生的最高溫度（電源模塊中間部位），數據如表1。

表1　最高溫度數據

將其繪制在二維圖形中如圖11所示。

從以上圖表中，可以得出如下結論：

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

圖11　不同溫度下功耗與最高溫度關系曲線

4　試驗

為了進一步驗證所設計機械結構的散熱性能，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值分別為初始環境溫度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定值，如表2所示。

表2　熱偶溫度數據

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

由水箱試驗與仿真計算得到數據進行對比分析，考慮等效初始環境溫度和損耗功率條件可知：仿真條件處于環境溫度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，取（50，35.264），（75，37.399）兩組數據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：

仿真計算所得數據與試驗數據基本吻合，最高溫度值略低，相對誤差為：

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

根據接駁盒所選元器件的工作數據及實際試驗情況知：當接駁盒內最高溫度控制在T4以下時，其內部電路能夠正常工作，即結構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據對實際結構設計具有較好的參考性。

5　結論

本文選擇了散熱效果良好、結構合理的圓柱內壁面散熱作為接駁艙內部的散熱方式。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壁面散熱結構及熱傳導散熱方式具有更好的散熱效果。與此同時，針對不同環境溫度下的不同損失功率所產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多點處的溫度升至穩態值的變化過程。通過與仿真分析所得的數據對比，可知有限元仿真數據與水箱試驗數據具有較好的吻合度，驗證了本文所設計的散熱結構的合理性，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備機械結構設計與研究。E-mail：jiapingaijia@163.com