某水下电子舱散热问题分析及改进验证∗

付佳杰 彭阿静 武 雷

（中国船舶集团有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

海洋蕴藏着丰富的油气资源、生物资源、矿产资源和可再生能源资源等，是人类赖以生存和发展的重要战略空间［1～2］。党的十八大报告首次完整提出了中国海洋强国的战略目标：提高海洋资源开发能力、发展海洋经济、保护海洋生态环境、坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国［3］。党的十九大报告又进一步阐述了通过加快发展海洋经济、保护海洋环境、创新海洋科技、海上丝路合作、维护海洋权益等实现海洋强国的目标［4］。海洋工程装备作为实现海洋强国的重要工具，越来越受到世界各沿海国家的重视，而水下电子舱是水下无人航行器、海底监测网、潜标等海洋工程装备的重要组成部分。

水下电子舱内部装有多个集成度很高的电子设备机箱。研究表明，电子设备的失效有55%比例是温度超过规定值造成的［5～7］。著名的“10℃法则”指出：器件环境温度每升高10℃，其可靠性会降低50%［8～10］。本文针对某水下电子舱出现的散热问题进行了分析，提出了改进措施，并通过实验验证了改进措施的有效。

2 水下电子舱结构

某水下电子舱结构如图1 所示，该水下电子舱包括密封壳体、机架、电子机箱1～电子机箱5 等。密封壳体采用圆柱筒体与端盖组成的密封耐压壳体，为电子机箱在水下工作提供干燥的环境，5 个电子机箱通过机架安装固定在密封壳体内部。为了保证密封壳体在海水环境下长期工作而不被腐蚀，密封壳体选用钛合金材料制作。电子机箱1～电子机箱5 内部集成了电源模块、信号处理模块、功放模块和数据计算模块等，在工作过程中会产生大量热量，因此在装进水下电子舱前，电子机箱均通过了（-10～+50）℃的高低温试验。

图1 某水下电子舱结构示意图

3 问题现象及分析确认

3.1 问题现象及初步分析

电子舱在调试过程的初期一切工作正常，拷机约3 小时后，该电子舱内的信号处理电子机箱出现宕机，无任何响应，用手触摸电子舱外壁，其温度远高于环境温度，初步分析为电子机箱工作过程中产生热量，使得密封电子舱内温度升高，由于密封壳体内部空气流动缓慢，无法将电子舱内部温度及时传导至舱外，导致电子舱内温度过高，超过电子机箱的正常工作温度范围。

3.2 问题原因确认

机箱设计的正常工作温度范围为（-10 ～ +50）℃。为了验证上述初步分析，需要知道工作期间，电子舱内的温度是否超过设备机箱的正常工作温度范围。通过在电子舱内安装热电偶，实时监测并记录电子舱内部温度值。通过连续200min 的监测，将采集到的舱内外温度及舱内外温差变化绘制成曲线，如图2 所示。从该图中可看出，在环境温度范围（24.7～28.8）℃条件下，各电子机箱工作产生的热量使得密封电子舱内的温度从环境温度开始逐渐升高，前20min，温度上升速度较快，直到工作约190min，电子舱内的温度升至最高63.3℃不再增加，表明此时温度达到热平衡，该热平衡温度已经超过了电子机箱的正常工作范围上限，验证了上述问题原因初步分析的正确性。

图2 电子舱工作时舱内外温度及舱内与舱外温差变化曲线

4 改进方案

4.1 改进方案原理

由于各电子机箱设计时均已考虑散热问题，且均通过了高低温试验的考核，故本改进方案不对电子机箱进行改动。由热力学公式知，热流密度与温升之间的关系为

式中，q 为热流密度；h 为对流传热系数；Δt 为温升。可见，对于该电子舱系统来说，系统的总功耗和电子舱密封壳体的散热面积一定，即热流密度q一定，只能通过增加对流传热系数h 来降低电子舱内部的温升。在工程应用中，强迫风冷散热被验证为是一种较好的冷却方法，工作可靠、易于维修保养、成本相对较低，在电子设备冷却系统中被广泛采用，同时也是高功率器件采取的主要散热形式［11～12］。本改进方案就是通过增加风扇采取强迫风冷的方法，加大电子舱内部空气的对流传热系数h来降低温升。

4.2 改进方案实施

在电子舱内沿轴向方向左右两侧各安装一排风扇，其中左侧风向一致，全部为进风，右侧风向一致，全部为出风。风扇选用电压24V，功率5W 的直流散热风扇。加装散热风扇后的电子舱结构图如图3 所示。风扇工作时，强制加速了电子舱内的空气对流速度，在电子舱内形成一个循环的风道，循环风道如图4 所示。通过这一措施大大增加了电子舱内的对流传热系数。

图3 改进后的水下电子舱结构示意图

图4 电子舱内部风道示意图

5 改进后的实验验证

5.1 水面工作工况实验验证

实验工况一：将改进后的电子舱放置刚没入水面的环境，开机工作4h，通过多路温度测量仪实时监测并记录电子舱内和舱外的温度。导出本次实验数据，将舱内外温度及舱内与舱外温差变化绘制曲线，如图5所示。

图5 改进后电子舱水面工作时舱内外温度及舱内与舱外温差变化曲线

从图5 可以看出，在环境温度约30℃的水面条件，电子机箱工作产生的热量使得密封电子舱内的温度从环境温度开始逐渐升高，前20min，温度上升速度较快，20min 后，温度增速逐渐减缓，工作至90min 左右，电子舱内的温度升高至38.1℃后不再增加，此时舱内与舱外的温差也稳定在（8.2～8.4）℃之间，说明此时已达到热平衡，整个过程，电子舱内机箱均工作正常。对比改进前，舱内与舱外的最大温差由34.5℃降低至8.3℃，且热平衡时间由190min缩短至90min，表明该验证措施有效。

5.2 水下工作工况实验验证

实验工况二：将改进后的电子舱放置水下30m深度，开机工作4h，通过多路温度测量仪实时监测并记录电子舱内和舱外的温度。导出本次实验数据，将舱内外温度及舱内与舱外温差变化绘制曲线，如图6所示。

图6 改进后电子舱水下工作时舱内外温度及舱内与舱外温差变化曲线

从图6 可以看出，在环境温度约21℃的水下条件，电子机箱工作产生的热量使得密封电子舱内的温度从环境温度开始逐渐升高，前20min，温度上升速度较快，20min 后，温度增速逐渐减缓，工作至约90min，电子舱内的温度升高至29.3℃稳定，此时舱内与舱外的温差也稳定在（8.1～8.3）℃范围，说明此时已达到热平衡，整个过程，电子舱内机箱均工作正常。对比改进前，舱内与舱外的最大温差由34.5℃降低至8.2℃，且热平衡时间由190min 缩短至90min，表明该改进方案有效。

对比改进后的两种实验工况还发现，虽然两种工况的环境温度不一样，但达到热平衡的时间一致，且热平衡后，电子舱内与舱外的温差接近，进一步说明了改进后的电子舱在允许的不同外界环境温度下工作时，均能以较快的速度达到热平衡，且热平衡后舱内与舱外的温差均恒定控制在较小的范围。

6 结语

水下电子舱工作在水下，良好的外部液态冷却环境会让设计者忽视系统总成后的散热问题。本文针对某水下电子舱出现的散热不良导致工作不正常的现象，通过采用强迫风冷的方式加大了电子舱内部的热传导速度，将电子舱内部的温升由原34.5℃降低至8.2℃，实验证明了该措施有效，对其它水下电子舱的散热设计起到借鉴作用。