船舶電子設(shè)備散熱技術(shù)及輔助分析軟件和布局優(yōu)化的研究

楊 平，黃 巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都，610041)

船舶電子設(shè)備散熱技術(shù)及輔助分析軟件和布局優(yōu)化的研究

楊 平，黃 巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都，610041)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶自動化程度不斷提高，航海進(jìn)入數(shù)字化時代，通信導(dǎo)航、自動化電子設(shè)備在船舶上得到了廣泛地應(yīng)用。然而，大量電子設(shè)備的應(yīng)用給船舶供電和散熱帶來了很大的壓力。本文通過對電子設(shè)備散熱領(lǐng)域現(xiàn)狀的分析，指出傳統(tǒng)散熱方式的局限性，介紹近幾年出現(xiàn)發(fā)展應(yīng)用的幾種主要的電子設(shè)備散熱新技術(shù)；分析熱分析軟件在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域的作用，對幾種應(yīng)用比較廣泛的輔助熱分析軟件從其應(yīng)用范圍、技術(shù)特點(diǎn)等方面做闡述，并對軟件的應(yīng)用進(jìn)行對比，同時結(jié)合電氣元件的特點(diǎn)，對其在船舶中的布局進(jìn)行優(yōu)化研究，為電子設(shè)備熱設(shè)計人員提供一定的參考。

船舶電子設(shè)備；散熱技術(shù)；分析對比

0 引 言

現(xiàn)代科學(xué)的日益發(fā)展，使電氣設(shè)備在船舶上的應(yīng)用越來越廣泛，是船舶正常運(yùn)行中不可缺少的“大動脈，但是隨著船舶電氣化、自動化程度越來越高，因管理不善、操作使用不當(dāng)、維護(hù)保養(yǎng)不到位而導(dǎo)致的線路老化、短路、過載等現(xiàn)象也日趨突出，特別是目前新型電子設(shè)備集合了高性能，微型化和集成化的三大特點(diǎn)，對于工作環(huán)境的要求也越來越高。因此，電器設(shè)備的工作環(huán)境溫度控制也就成為了一個越來越突出的問題。特別是在環(huán)境空間相對狹小，電子器件布局相對緊密的船舶上，電子設(shè)備的散熱問題顯得尤為突出。如果不能妥善解決這個問題，極有可能造成電子設(shè)備的工作不穩(wěn)定，性能降低或者完全失靈，更有可能會造成船舶失火的情況，這對于遠(yuǎn)洋航海這樣極端要求下的船舶駕駛具有極其嚴(yán)重的影響。

為了能夠保證電子設(shè)備在正常的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作，船舶電氣設(shè)備的安裝設(shè)計人員要充分考慮到每個設(shè)備的散熱情況，盡可能利用船舶已有條件提高散熱效率，改善散熱環(huán)境。這樣就需要首先利用合理的規(guī)劃布局來減低彼此之間的熱影響，然后通過計算機(jī)輔助軟件對于船舶上的電子設(shè)備進(jìn)行散熱分析，一次確保整個船舶電氣設(shè)備在可以控制的溫度范圍內(nèi)工作，保證整個船舶的正常航行[1–3]。

1 船舶電子設(shè)備布局優(yōu)化研究

眾所周知，電氣設(shè)備的工作是需要在一個正常溫度范圍內(nèi)才可以穩(wěn)定的工作，這個范圍一般控制在–5 ℃～+65 ℃，如果一旦超出這個范圍，那么勢必會影響整個電氣器件的性能，使其無法穩(wěn)定工作，船舶航行安全的可靠性就會受到影響。根據(jù)統(tǒng)計表明。60%以上的海上航行事故和航行設(shè)備的故障與電子設(shè)備不穩(wěn)定工作有關(guān)，同時也有研究表明，工作溫度的上升和電氣器件的設(shè)備故障成明顯的指數(shù)遞增關(guān)系，具體如圖1所示，如果電氣器件的表面溫度每上升10 ℃那么相對應(yīng)的其穩(wěn)定性就會下降50%。

針對以上問題，為了提高船舶電氣設(shè)備的散熱性能，降低船舶航行風(fēng)險，本文通過熱分析軟件對于特殊環(huán)境下的電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，通過調(diào)整電子設(shè)備的布局，尋求最佳散熱方案，通過仿真驗(yàn)證方案的正確性。

1.1 主要的散熱技術(shù)研究

1）氣室散熱技術(shù)—相變+翅片散熱器

氣室散熱技術(shù)是通過在一定的空間內(nèi)填充液體，如果電氣器件的熱量增加將會將液體蒸發(fā)，蒸發(fā)的氣體凝結(jié)在冷凝比的表面，之后會順著壁面重新回流到液體池內(nèi)，這樣就將電子器件工作熱量傳遞到空氣中，周而復(fù)始的進(jìn)行熱量散發(fā)[4]。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2）液體冷卻技術(shù)—冷板技術(shù)

液體冷卻是除了正常風(fēng)冷以外最常見的另外一種冷卻技術(shù)，適用于大型的電氣設(shè)備，可以方便快捷轉(zhuǎn)移消耗大量的工作產(chǎn)熱。圖3為一種典型的液冷技術(shù)。

3）蒸汽壓縮制冷技術(shù)

大型的服務(wù)器和工作站己經(jīng)應(yīng)用蒸汽壓縮制冷技術(shù)（圖4）來降低CMOS（互補(bǔ)金屬半導(dǎo)體）處理器的溫度，從而達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。該技術(shù)把蒸發(fā)器直接安裝在處理器模板上，其他的硬件如壓縮機(jī)、冷凝器、閥門等通常封裝在一起，安裝在系統(tǒng)的底部或是機(jī)箱的支架上[5]。

1.2 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

散熱器對于電器設(shè)備的散熱至關(guān)重要，可以在很大程度上決定一個設(shè)備可以正常工作的穩(wěn)定范圍和使用壽命。但是在傳統(tǒng)的散熱器設(shè)計使用過程中，往往缺乏個性化設(shè)計，對于散熱器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定具有主觀經(jīng)驗(yàn)性，本文所要研究的主要目標(biāo)對象是船舶上的電氣設(shè)備，因此更需要有針對性的安裝散熱器。

針對目前船舶內(nèi)空間狹小，電子設(shè)備相對安裝較為緊密的特點(diǎn)，對于熱管散熱器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，針對其不同的溫度差和流速差，建立相對性的數(shù)值模擬模型，熱管散熱器的物流結(jié)構(gòu)如圖5所示。相應(yīng)的散熱管內(nèi)的液體流動模型如圖6所示，具體的熱管關(guān)鍵參數(shù)在表1和表2中列出，熱管和散熱性能還和其中填充的物質(zhì)具有重要關(guān)系，因此對于不同的熱管進(jìn)行測試和數(shù)值計算，實(shí)驗(yàn)條件為：管散熱器模擬參數(shù)以電子設(shè)備柜內(nèi)最高允許工作溫度65 ℃作為熱流體進(jìn)口溫度，環(huán)境溫度分別為25 ℃，35 ℃，45 ℃，55 ℃作為冷流體的出口溫度，質(zhì)量流量分別為0.01 kg/s，0.025 kg/s，0.05 kg/s，0.075 kg/s，0.1 kg/s。

根據(jù)表中不同散熱管的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明散熱器的散熱能力并不是隨著熱阻減小而不斷提升，其散熱能力具有一個閾值，在這個閾值以內(nèi)的時候總是提高的，但是一旦超過這個閾值便呈現(xiàn)一定的平穩(wěn)性。對于本文研究的針對于船舶內(nèi)空間較狹小的小型散熱器，其大小約為Rh=0.1 ℃/W。但是不同的散熱器，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和安裝方式不同，所以其散熱能力的閾值也不相同。

在不同的溫差下，散熱管的散熱能力與其自身的熱阻變化趨向十分吻合，這就表明其自身具有很大的調(diào)節(jié)能力，也說明內(nèi)部的液體對散熱管的熱量交換能力影響相對較小，其主要的硬性因素是工作溫度，因此本文選取了4種不同的溫差情況進(jìn)行研究，每種工況的溫度差相對較小，大約在65 ℃左右，所以散熱器總熱阻是不變的，具體情況如圖7所示。

表 2 研究熱管散熱性能Tab. 2 The study of heat dissipation

2 主要輔助分析軟件

2.1 Flotherm

Flotherm是由英國FLOMERICS軟件公司開發(fā)的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，與傳統(tǒng)的分析不同，F(xiàn)lotherm軟件提供的“設(shè)計級分析”并不要求使用者有高深的CFD理論知識，也無需長時間培訓(xùn)和學(xué)習(xí)[6–7]。

應(yīng)用范圍：①元器件級：芯片封裝的散熱分析；②板極和模塊級：PCB板的熱設(shè)計和散熱模塊的化；③系統(tǒng)級：機(jī)箱，機(jī)柜等系統(tǒng)級散熱方案的選擇及優(yōu)化；④環(huán)境級：機(jī)房，外太空等大環(huán)境的熱分析.

2.2 Icepak

Icepak是由美國著名Flunet軟件公司設(shè)開發(fā)的一款專業(yè)的電子產(chǎn)品熱分析軟件，是集建模、網(wǎng)格生成、求解和后處理于一體的軟件，可求多種物理模型包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析、層流、湍流，強(qiáng)迫對流、自然對流、混合對流換熱以及輻射固體傳導(dǎo)[8]

Icepak軟件處理具備Flotherm的主要功能意外，還可以對于表面曲折或者結(jié)構(gòu)不規(guī)則的模型經(jīng)行熱環(huán)境分析仿真，這對于本文所要研究的主要對象船舶電子設(shè)備熱分析具有重要的價值。

3 結(jié) 語

本文介紹近幾年出現(xiàn)發(fā)展應(yīng)用的幾種主要的電子設(shè)備散熱新技術(shù)；分析熱分析軟件在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域的作用，對幾種應(yīng)用比較廣泛的輔助熱分析軟件從其應(yīng)用范圍、技術(shù)特點(diǎn)等方面做闡述，并對軟件的應(yīng)用進(jìn)行了對比，同時在熱管換熱器傳熱性能優(yōu)化研究、電子元件優(yōu)化布局研究以及如何使熱管散熱器高效傳熱過程獲得與密閉電子設(shè)備內(nèi)電子元件產(chǎn)熱和散熱環(huán)境最佳匹配方面有所突破和創(chuàng)新。

[1]楊洪海. 電子設(shè)備的散熱問題與新型冷卻技術(shù)的應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝, 2006(5): 71–72.

[2]劉一兵. 電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù), 2007(5): 286–289.

[3]黃大革, 楊雙根. 高熱流密度電子設(shè)備散熱技術(shù)[J]. 流體機(jī)械, 2006 (9): 71–74.

[4]張雪粉, 陳旭. 功率電子散熱技術(shù)[J]. 電子與封裝,2007(6): 35–48.

[5]陳文媛, 楊邦朝, 胡勇達(dá). 熱界面材料及其應(yīng)用[J]. 混合微電子技術(shù), 2006 (1): 42–53.

[6]張紅根, 鄭新燕. 高熱量機(jī)箱的熱設(shè)計——Flotherm建模[J].應(yīng)用天地, 2007(8): 55–56.

[7]姜紅明, 任康, 焦超鋒, 等. 綜合應(yīng)用Inventor和FLOTHERM對系統(tǒng)實(shí)施熱設(shè)計[J]. 電子機(jī)械工程, 2007(5): 14–16.

[8]李增辰. ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用[R]. FLUENT第一屆中國用戶大會, 2006.

Research on heat dissipation technology and assistant analysis software and layout optimization of ship electronic equipment

YANG Ping, HUANG Wei
(The 30th Research Institute of CETC, Chengdu 610041, China)

With the continuous development of science and technology, the degree of automation of the ship has been improved, and the navigation and navigation has entered into the digital era. However, a large number of electronic equipment used to bring a lot of pressure vessels and heat supply, this paper analyses the current situation of radiation field of electronic equipment, points out the limitations of the traditional cooling method, introduced in recent years, several major electronic equipment development and application of the heat dissipation of the new technology; analyzes the effect of thermal analysis software the field of cooling electronic equipment, application of several auxiliary heat more extensive analysis software from its scope of application and technical characteristics are introduced, and the application of the software were compared, and Jiehen electrical components characteristics, the optimization of the layout of the ship, to provide a reference for design personnel electronic equipment thermal.

ship electronic equipment；cooling technology；analysis and comparison

TN60

A

1672 – 7649(2017)08 – 0181 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.038

2017 – 06 – 13

江蘇省自然科學(xué)項目(CX(16)6073)

楊平（1968–），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)檐娪秒娮友b備結(jié)構(gòu)設(shè)計。