艦船電子設備的熱設計

肖本德

【摘要】本文通過介紹熱量傳遞的方式、散熱方式的選擇、艦船電子設備的自然散熱設計等幾方面闡述了艦船電子設備熱設計的一般原則。

【關鍵詞】艦船;電子設備;熱設計

1.引言

艦船電子設備內部存在大量的元器件，電子設備在工作過程中這些元器件會產生大量的熱量，設備內部的溫度也隨之升高，當溫度升高到一定的程度將會影響設備的正常工作，需要結構設計時對艦船電子設備進行散熱設計。散熱設計是艦船電子設備結構設計的重要內容，是保證艦船電子設備能否安全可靠工作的重要條件之一，它對于提高艦船電子設備的工作可靠性，延長其使用壽命具有非常重要的意義。

2.傳熱的基本形式及原理

2.1 熱傳導

傳導是熱量在直接接觸的兩個物體之間傳遞。其物理本質是物質微粒通過微觀熱運動以內能的形式在接觸面上傳遞。

利用熱傳導散熱可采用以下措施：（1）采用導熱系數大的材料制作導熱零件。導熱系數以金屬為最大，非金屬次之;—般采用鋁型材作為散熱零件。（2）加大與熱傳導零件的接觸面積。空氣導熱系數小，如果兩物體之間接觸不好有空氣，則空氣起到隔熱作用，導熱量減少;因此應壓力均勻地增大接觸壓力（減小接觸面粗糙度）以排除空氣減小熱阻。

2.2 熱對流

對流是依靠發熱物體周圍的流體介質的流動將熱量轉移的過程。由于流體運動的原因不同，可分為自然對流和強迫對流兩種。自然對流由溫差引起.是由于流體冷熱不均，各部分密度不同引起介質自然的運動。強迫對流是受機械力作用（如軸流風機）促使流體運動，促使流體高速流過發熱物體表面以加強對流作用。兩種對流方式的比較如表1所示：

表1 自然對流與強迫對流的比較

對流方式 熱阻 結構 控制

自然對流 較高 簡單 被動的，不可以控制

強迫對流 較低 復雜，需外加能源使散熱劑流動 主動的，可以控制

利用熱對流散熱可采用以下措施：（1）加大溫差△t，即降低散熱物體周圍對流介質的溫度。（2）加大散熱器的散熱面積;采用有利于對流散熱的形狀：將散熱器做成肋片、直尾形和叉指形等。（3）加大對流介質的流動速度，選用有利于對流散熱的介質，帶走更多的熱量。

2.3 熱輻射

輻射是熱量以電磁波的形式向外傳播。由于溫度升高，物體原子中電子振動的結果引起了輻射，任何物體都在不斷地輻射能量;這種能量落在其他物體上，一部分被吸收，一部分被反射，另一部分要穿透該物體;物體所吸收的那部分能量就轉化為熱能。

利用熱輻射散熱可采用以下措施：（1）增加散熱表面粗糙度，粗糙表面熱輻射的能力較大。如將艦船用加固計算機箱體表面噴無光黑漆以增加熱輻射作用。（2）加大輻射體與周圍環境溫差，即周圍介質溫度越低越好。

（3）增大輻射體表面積。

3.散熱方式的選擇

艦船電子設備的散熱方式主要有自然散熱、強迫風冷、液體散熱等幾種。散熱方式的選擇需根據具體情況確定;通常主要考慮艦船電子設備的體積功率密度。

3.1 自然散熱

自然散熱是指在不使用外部輔助能量的情況下，通過傳導、對流和輻射的方式將熱量帶走。因此在設計中盡量減小大功耗器件和外殼之間的熱阻，讓熱量快速傳到外部。如在柜體上開通風孔利于空氣對流作用;同時，進出風口要開在溫差最大的兩處，進風口設計在柜低，出風口設計在柜頂，這樣會大幅增加散熱的效率。

3.2 強迫風冷

強迫風冷關鍵是要建立有效的氣流通道，將熱量按設計好的路徑從各單元傳送到設備外部。系統的進風口和出風口不可太近，否則容易出現氣流短路現象。強迫風冷系統中風源的產生有兩種方法：一是在艦船電子設備內部采用軸流風機抽風，以加速空氣流量，利于電子器件的快速散熱;二是在柜體本身開設多個通風孔，通過外部氣源經通風孔鼓風，以達到散熱的效果。

3.3 液體散熱

液體散熱系統的設計流程：確定散熱方式—選擇散熱液—傳熱計算—確定散熱流量和流速—選擇熱交換機—計算散熱液的溫差—確定二次散熱的流量—計算熱交換機中換熱系數、傳熱面積，并對交換機進行結構設計—計算散熱系統的阻力損失—選擇泵和電機。在選擇液體散熱時，首選直接液體散熱，如果達不到要求，可選擇間接液體散熱的方式。

3.4 各種散熱方法的熱流密度和體積功率密度

溫升為40℃時，各種散熱方法的熱流密度和體積功率密度值如圖1和圖2所示。

圖1 溫升為40℃時的各種散熱方法對應熱流密度

圖2 溫升為40℃時各種散熱方法對應體積功率密度

3.5 根據熱流密度和溫升的要求進行選擇

按照圖3關系進行散熱方法的選擇，適用于溫升要求不同的各類設備的散熱。

圖3 溫升要求不同的各類設備的散熱

3.6 散熱方法選擇示例

一功耗300W的電子組件，將其安裝在248mm×381mm×432mm的機箱里，在正常室溫的空氣中工作，是否需要對機箱采取特殊的散熱措施？

體積功率密度：

熱流密度：

由于很小，而值與圖l中空氣自然散熱的最大熱流密度比較接近，因此不需要采取特殊的散熱方法，依靠空氣的自然對流散熱就可以了。若采用強迫風冷，熱流密度為820W/m2時，可以將機箱表面積設計減小一半。

作為艦船上艙室外的設備，由于海上環境比較潮濕、酸性比較大;對設備內部的元器件腐蝕很嚴重，一般考慮密閉設計。一般在密閉設備的印制插件上加裝導熱板，使器件產生的熱量通過導熱板傳到機殼上，然后通過機殼將熱量散到機外。

作為艦船上艙室內的設備，一般采用“自然散熱+強迫風冷”的組合方式。

4.艦船電子設備的自然散熱設計

4.1 元器件熱設計

印制板上的元器件散熱，主要依靠傳導提供一條從元器件到印制板的低熱阻路徑以帶走元器件的熱量，降低元器件的溫升。

為了降低熱阻，一般用導熱硅膠將元器件直接粘到印制板上;安裝大功率器件時，一般先用導熱硅膠將其與散熱型材粘接在一起然后再將一整體固定到印制板上;有大、小規模的集成電路混合安裝的情況下，應盡量把大規模的集成電路放在散熱氣流的上游，小規模的放在下游，以使印制板上的器件溫升趨于均勻。

4.2 印制板熱設計

常用的PCB板為多層復合結構，多層板結構有利于PCB的散熱;其法向和平行方向的導熱性能差異很大，通常平行方向的導熱能力要強于法向方向。為了增加PCB的導熱能力，可采用鉚接導熱條進行散熱。

由于印制板導線通電后溫升過高，需選擇厚一點的銅箔，同時增大銅箔表面積。對于雙面裝有器件的區域，為改善散熱，可以在焊膏中摻入少量的細小銅料，以增加焊點高度，使器件與印制板間隙加大，增大對流散熱的效果。金屬化過孔時孔徑、盤面大一些利于散熱。大功耗的器件如無法避免需集中放置，則要將矮的元器件放在氣流的上游，以保證冷卻風量經過熱耗集中區。

4.3 傳導熱設計

導熱通路中的接觸熱阻是由于兩個相互接觸的面之間的貼合不完全，而是只有某些點接觸所致。因此在降低表面粗糙度的同時適當增加兩個接觸面上的壓力可以減小接觸熱阻。一般將發熱量大的器件直接與安裝底板剛性聯接，通過底板將熱量傳導到機殼上。

4.4 結構熱設計

采用自然散熱的艦船電子設備機箱、機柜、顯控臺等熱設計的主要任務是在保證設備承受外部各種電磁環境、機械應力的前提下，充分利用傳導、對流、輻射，最大限度地把元器件產生的熱量散發出去以保證設備正常可靠地工作。

具體設計要點如下：（1）艦船電子設備機箱在滿足電磁兼容環境及結構強度要求的前提下，應盡量多開一些散熱通風孔，以及通過箱體利用傳導進行散熱;（2）艦船電子設備機柜上發熱量大的器件固定在底板上時與機殼之間應留有一定的散熱空間，距離一般應大于35 mm，同時要靠近通風口安裝，利用對流進行散熱;（3）艦船電子設備機柜后蓋板開孔以作為氣流的通道，開孔的大小與散熱空氣進出流速相適應;遵循進出風口距離盡量遠，且進風口在柜底，出風口在柜頂的原則;柜體與底座要剛性聯接，接觸面清潔、光滑、面積盡可能大;（4）艦船電子設備機柜柜體、顯控臺臺體內外表面涂漆利用輻射降低內部器件的溫度;（5）艦船電子設備機柜、顯控臺在利用軸流風機進行強迫風冷結構設計時，為避免氣流回流，進風口面積應大于各分支風道截面積之和。

5.結束語

艦船電子設備的熱設計是一項十分復雜的工作，有待解決的問題很多。在艦船電子設備的散熱中，必須將元器件產生的熱量從元器件傳到最終散熱體。為了使器件保持較低溫度，必須使器件與最終散熱體的熱阻最小，提高工作可靠性，減少經濟損失，這樣才能保證艦船電子設備正常可靠地工作。

參考文獻

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