艦船電子設備的熱設計

在艦船中會使用到大量的電子元器件，所以艦船有效的散熱成為了艦船電子元器件正常運轉(zhuǎn)的重要保障。所以本文首先對有關熱量傳遞的方法以及散熱的方法進行了分析，并對艦船中電子設備散熱模式和結(jié)構設計的選擇進行了闡述。

【關鍵詞】艦船 電子設備 熱設計

隨著科學技術和電子技術的快速發(fā)展，艦船所具備的功能也越來越多，這就需要在艦船的內(nèi)部安裝大量的電子設備和電子元器件。在使用過程中，這些電子設備和元器件會產(chǎn)生大量的熱量，造成溫度的升高，當溫度過高時會對艦船的正常運轉(zhuǎn)造成一定的影響，所以在進行艦船結(jié)構設計時要充分考慮到艦船電子設備的散熱設計。散熱設計作為艦船結(jié)構組成的一個重要部分，為艦船內(nèi)電子設備和電子元器件的安全可靠性提供著保障、為提高電子設施使用壽命產(chǎn)生重要的意義。

1 傳熱的基本方式及原理

1.1 熱傳導

傳導就是兩個物體進行接觸時，熱量不需要傳輸媒介可以進行直接的傳遞。熱傳導的物理本質(zhì)就是物質(zhì)微粒借助微觀的熱運動采取內(nèi)能的方式在物體接觸面面上進行傳導。

在使用熱傳導進行散熱時，為了提高散熱效果通常采用以下幾點方式：首先在選擇導熱材料普遍采用一些導熱系數(shù)比較大來進行導熱零件的制作。在眾多材料中，金屬的導熱系數(shù)是最大的，其次是非金屬類，通過綜合考慮金屬材料的物理和化學方應，一般情況采用鋁型材進行導熱零件的制作。其次就是在進行熱傳導時可以通過增大接觸面積提高散熱效率。通常空氣的導熱系數(shù)比較小，在進行熱傳導時物體之間的接觸面若出現(xiàn)空氣將會對散熱造成影響，這主要是因為空氣具有隔熱的作用，進而造成導熱量的降低。所以在進行熱傳導時要將物體之間的接觸進行均勻的壓力進行接觸，保證接觸面將空氣盡量的排除同時使接觸面達到最大的面積。

1.2 熱對流

對流就是在發(fā)熱體的周圍設置流體媒介，隨后發(fā)熱體產(chǎn)生的熱量被這些流動媒介采用流動的方式將熱量進行轉(zhuǎn)移的方式。在流動媒介中會出現(xiàn)不同的流動運動原因，所以可以劃分為自然和強迫對流量兩種。出現(xiàn)自然對流是因為溫差原因所產(chǎn)生的，流體所受到的冷熱情況不同，會出現(xiàn)冷熱受力不同再加上密度的差別從而引發(fā)流動媒介的自然運動。而強迫對流則是在軸流分機等機械力的作用下使流體媒介出現(xiàn)運動的現(xiàn)象，進而使流體在發(fā)熱物體表面產(chǎn)生高速流動，從而增強對流作用?，F(xiàn)將兩種對流方式的對比見表1所示。

在使用熱對流散熱的時候，可以通過以下措施提高散熱效果：首先是提高溫差，就是將發(fā)熱體周圍對流媒介的溫度降低。其次是將散熱器的的面積盡可能的增大以此提高散熱能力；將散熱器的形狀做成有利于散熱的形狀，比如可以做成肋片或者是叉指等形狀。最后是提高對流媒介的流動速度，同時在選取散熱媒介時盡量選擇易散熱的物質(zhì)，能夠?qū)⒏嗟臒崃窟M行傳遞。

1.3 熱輻射

熱輻射就是熱量通過電磁波的方式進行傳遞。電子設施在出現(xiàn)溫度過高時，在設備內(nèi)的電子震動會引發(fā)輻射，每一種物體都能夠輻射能量，有的被吸收有的被反射，還有的能夠穿透物體進行更遠的傳播。

在使用熱輻射進行散熱時，為了提高散熱效果，可以采取以下幾點措施：首先是增大散熱表面的粗糙度和面積，熱輻射會隨著粗燥程度和表面面積的加大能散熱能力也會隨之提高。例如船艦中用于固定計算機的箱體表面就是用無光黑漆制作成的，以便于更好的發(fā)揮熱輻射作用。其次是提高輻射體和其他物體的溫差，也就保證周圍媒介溫度盡可能的低。

2 散熱方式的選選取

在進行船艦散熱方式選取時，首先要考慮的問題就是船艦內(nèi)部所使用的電子設備體積、功率和密度，所以要根據(jù)具體的情況選取散熱方式。

2.1 自然散熱

自然散熱就是在不借助其他輔助能量的前提下，通過熱傳導、熱對流和熱輻射等方法進行熱量的傳遞。采用這種方式散熱就要求盡量減少大功率元器件的使用以及將熱阻降低到不能降低的程度。

2.2 強迫風冷

強迫風冷散熱方式其關鍵技術就是要保證氣流通道的有效性，保證熱量能夠按照設計好的通道將熱量傳遞到設備外部，另外需要注意的問題就是避免進風口和出風口太近出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象。在強迫風冷方法中產(chǎn)生風源主要有兩種方法：一種就是通過軸流風機；另外一種就是盡可能多的在柜體開設通風孔。

2.3 液體散熱

在進行液體散熱方式設計時，通常其流程如下：散熱方式的確定、散熱劑的選取、通過計算確定散熱流量和速度、熱交換機的選取、確定溫差、進行散熱流量的二次確定、計算散熱參數(shù)、面積以及熱阻力、泵和電機的選取[3]。一般情況下，首先采用直接液體進行散熱的方式，若是要求達不到，可以使用間接的方式。

受海上環(huán)境的影響，為了避免受到潮濕和腐蝕的影響，通常采用密閉設計。而散熱時則是通過添加導熱板的方式，將熱量通過導熱板傳遞到設備外殼上，在將熱量傳播到設備外部。通常在船艦上采用自然散熱和強迫風冷相結(jié)合的方式進行設備的散熱處理。

3 艦船電子設備的熱設計

3.1 元器件熱設計

在進行印制板上元器件散熱設計時，主要采用的方式在元器件和印制板之間建立一條低熱阻線路，通過該線路進行熱量的傳遞。為了保證散熱效率的最大化，低熱阻線路通常使用導熱硅膠進行連接。

3.2 印制板熱設計

印制電路板通常為多層復合結(jié)構，采用這種結(jié)構就是為了便于印制電路板的散熱。法向與平行方向相比，導熱能力存在著極大的差別，平行方向要好于法向方向，所以在印制電路板中通常使用鉚接導熱條進行散熱。

3.3 結(jié)構熱設計

船艦內(nèi)部設備熱設計之所以選擇自然散熱，就是在考慮設備所承受的各種電磁問題和機械應力所決定的。通過熱傳導、熱對流和熱輻射等自然散熱方式能夠?qū)㈦娮釉骷a(chǎn)生的熱量進行傳遞，同時也能保證設備的安全可靠性。

4 結(jié)束語

隨著穿件電子設施的大量應用，使船艦電子設備的熱設計開始向著復雜化發(fā)展，大量的新問題開始出現(xiàn)。為了保證船艦電子設備具有良好的散熱性，其關鍵技術就是充分的降低發(fā)熱體和最終散熱體之間的熱阻為最小，才能保證船艦電子設備的正常使用。

參考文獻

[1]白亮，劉運凱.電子設備熱設計要點及相關工藝探討[J].企業(yè)文化旬刊，2016（06）.

[2]程家賡.淺論大功率電子設備結(jié)構熱設計[J].工業(yè)B，2017（02）：00206-00206.

[3]翁建華，石夢琦，崔曉鈺.電子產(chǎn)品熱設計中的數(shù)值計算[J].機電技術，2016（05）：18-20.

作者簡介

侯春寶（1967-），男，遼寧省北鎮(zhèn)市人。大學本科學歷。高級工程師。研究方向為艦船導航。

作者單位

1.92956部隊 遼寧省大連市 116041

2.南昌航空大學飛行器工程學院 江西省南昌市 330063