舰船电子设备的热设计

【摘要】本文通过介绍热量传递的方式、散热方式的选择、舰船电子设备的自然散热设计等几方面阐述了舰船电子设备热设计的一般原则。

【关键词】舰船;电子设备;热设计

1.引言

舰船电子设备内部存在大量的元器件，电子设备在工作过程中这些元器件会产生大量的热量，设备内部的温度也随之升高，当温度升高到一定的程度将会影响设备的正常工作，需要结构设计时对舰船电子设备进行散热设计。散热设计是舰船电子设备结构设计的重要内容，是保证舰船电子设备能否安全可靠工作的重要条件之一，它对于提高舰船电子设备的工作可靠性，延长其使用寿命具有非常重要的意义。

2.传热的基本形式及原理

2.1 热传导

传导是热量在直接接触的两个物体之间传递。其物理本质是物质微粒通过微观热运动以内能的形式在接触面上传递。

利用热传导散热可采用以下措施：（1）采用导热系数大的材料制作导热零件。导热系数以金属为最大，非金属次之;—般采用铝型材作为散热零件。（2）加大与热传导零件的接触面积。空气导热系数小，如果两物体之间接触不好有空气，则空气起到隔热作用，导热量减少;因此应压力均匀地增大接触压力（减小接触面粗糙度）以排除空气减小热阻。

2.2 热对流

对流是依靠发热物体周围的流体介质的流动将热量转移的过程。由于流体运动的原因不同，可分为自然对流和强迫对流两种。自然对流由温差引起.是由于流体冷热不均，各部分密度不同引起介质自然的运动。强迫对流是受机械力作用（如轴流风机）促使流体运动，促使流体高速流过发热物体表面以加强对流作用。两种对流方式的比较如表1所示：

表1 自然对流与强迫对流的比较

对流方式 热阻 结构 控制

自然对流 较高 简单 被动的，不可以控制

强迫对流 较低 复杂，需外加能源使散热剂流动 主动的，可以控制

利用热对流散热可采用以下措施：（1）加大温差△t，即降低散热物体周围对流介质的温度。（2）加大散热器的散热面积;采用有利于对流散热的形状：将散热器做成肋片、直尾形和叉指形等。（3）加大对流介质的流动速度，选用有利于对流散热的介质，带走更多的热量。

2.3 热辐射

辐射是热量以电磁波的形式向外传播。由于温度升高，物体原子中电子振动的结果引起了辐射，任何物体都在不断地辐射能量;这种能量落在其他物体上，一部分被吸收，一部分被反射，另一部分要穿透该物体;物体所吸收的那部分能量就转化为热能。

利用热辐射散热可采用以下措施：（1）增加散热表面粗糙度，粗糙表面热辐射的能力较大。如将舰船用加固计算机箱体表面喷无光黑漆以增加热辐射作用。（2）加大辐射体与周围环境温差，即周围介质温度越低越好。

（3）增大辐射体表面积。

3.散热方式的选择

舰船电子设备的散热方式主要有自然散热、强迫风冷、液体散热等几种。散热方式的选择需根据具体情况确定;通常主要考虑舰船电子设备的体积功率密度。

3.1 自然散热

自然散热是指在不使用外部辅助能量的情况下，通过传导、对流和辐射的方式将热量带走。因此在设计中尽量减小大功耗器件和外壳之间的热阻，让热量快速传到外部。如在柜体上开通风孔利于空气对流作用;同时，进出风口要开在温差最大的两处，进风口设计在柜低，出风口设计在柜顶，这样会大幅增加散热的效率。

3.2 强迫风冷

强迫风冷关键是要建立有效的气流通道，将热量按设计好的路径从各单元传送到设备外部。系统的进风口和出风口不可太近，否则容易出现气流短路现象。强迫风冷系统中风源的产生有两种方法：一是在舰船电子设备内部采用轴流风机抽风，以加速空气流量，利于电子器件的快速散热;二是在柜体本身开设多个通风孔，通过外部气源经通风孔鼓风，以达到散热的效果。

3.3 液体散热

液体散热系统的设计流程：确定散热方式—选择散热液—传热计算—确定散热流量和流速—选择热交换机—计算散热液的温差—确定二次散热的流量—计算热交换机中换热系数、传热面积，并对交换机进行结构设计—计算散热系统的阻力损失—选择泵和电机。在选择液体散热时，首选直接液体散热，如果达不到要求，可选择间接液体散热的方式。

3.4 各种散热方法的热流密度和体积功率密度

温升为40℃时，各种散热方法的热流密度和体积功率密度值如图1和图2所示。

图1 温升为40℃时的各种散热方法对应热流密度

图2 温升为40℃时各种散热方法对应体积功率密度

3.5 根据热流密度和温升的要求进行选择

按照图3关系进行散热方法的选择，适用于温升要求不同的各类设备的散热。

图3 温升要求不同的各类设备的散热

3.6 散热方法选择示例

一功耗300W的电子组件，将其安装在248mm×381mm×432mm的机箱里，在正常室温的空气中工作，是否需要对机箱采取特殊的散热措施？

体积功率密度：

热流密度：

由于很小，而值与图l中空气自然散热的最大热流密度比较接近，因此不需要采取特殊的散热方法，依靠空气的自然对流散热就可以了。若采用强迫风冷，热流密度为820W/m2时，可以将机箱表面积设计减小一半。

作为舰船上舱室外的设备，由于海上环境比较潮湿、酸性比较大;对设备内部的元器件腐蚀很严重，一般考虑密闭设计。一般在密闭设备的印制插件上加装导热板，使器件产生的热量通过导热板传到机壳上，然后通过机壳将热量散到机外。

作为舰船上舱室内的设备，一般采用“自然散热+强迫风冷”的组合方式。

4.舰船电子设备的自然散热设计

4.1 元器件热设计

印制板上的元器件散热，主要依靠传导提供一条从元器件到印制板的低热阻路径以带走元器件的热量，降低元器件的温升。

为了降低热阻，一般用导热硅胶将元器件直接粘到印制板上;安装大功率器件时，一般先用导热硅胶将其与散热型材粘接在一起然后再将一整体固定到印制板上;有大、小规模的集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模的集成电路放在散热气流的上游，小规模的放在下游，以使印制板上的器件温升趋于均匀。

4.2 印制板热设计

常用的PCB板为多层复合结构，多层板结构有利于PCB的散热;其法向和平行方向的导热性能差异很大，通常平行方向的导热能力要强于法向方向。为了增加PCB的导热能力，可采用铆接导热条进行散热。

由于印制板导线通电后温升过高，需选择厚一点的铜箔，同时增大铜箔表面积。对于双面装有器件的区域，为改善散热，可以在焊膏中掺入少量的细小铜料，以增加焊点高度，使器件与印制板间隙加大，增大对流散热的效果。金属化过孔时孔径、盘面大一些利于散热。大功耗的器件如无法避免需集中放置，则要将矮的元器件放在气流的上游，以保证冷却风量经过热耗集中区。

4.3 传导热设计

导热通路中的接触热阻是由于两个相互接触的面之间的贴合不完全，而是只有某些点接触所致。因此在降低表面粗糙度的同时适当增加两个接触面上的压力可以减小接触热阻。一般将发热量大的器件直接与安装底板刚性联接，通过底板将热量传导到机壳上。

4.4 结构热设计

采用自然散热的舰船电子设备机箱、机柜、显控台等热设计的主要任务是在保证设备承受外部各种电磁环境、机械应力的前提下，充分利用传导、对流、辐射，最大限度地把元器件产生的热量散发出去以保证设备正常可靠地工作。

具体设计要点如下：（1）舰船电子设备机箱在满足电磁兼容环境及结构强度要求的前提下，应尽量多开一些散热通风孔，以及通过箱体利用传导进行散热;（2）舰船电子设备机柜上发热量大的器件固定在底板上时与机壳之间应留有一定的散热空间，距离一般应大于35 mm，同时要靠近通风口安装，利用对流进行散热;（3）舰船电子设备机柜后盖板开孔以作为气流的通道，开孔的大小与散热空气进出流速相适应;遵循进出风口距离尽量远，且进风口在柜底，出风口在柜顶的原则;柜体与底座要刚性联接，接触面清洁、光滑、面积尽可能大;（4）舰船电子设备机柜柜体、显控台台体内外表面涂漆利用辐射降低内部器件的温度;（5）舰船电子设备机柜、显控台在利用轴流风机进行强迫风冷结构设计时，为避免气流回流，进风口面积应大于各分支风道截面积之和。

5.结束语

舰船电子设备的热设计是一项十分复杂的工作，有待解决的问题很多。在舰船电子设备的散热中，必须将元器件产生的热量从元器件传到最终散热体。为了使器件保持较低温度，必须使器件与最终散热体的热阻最小，提高工作可靠性，减少经济损失，这样才能保证舰船电子设备正常可靠地工作。

参考文献

[1]谢德仁.电子设备热设计[M].南京：东南大学出版社，1989.

[2]斯坦伯格.DS 电子设备冷却设计[M].北京：航空工业出版社，1995.

[3]杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社，1992.

[4]余建祖.电于设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

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