海底接驳盒装置的散热结构设计及其热分析

李加平，齐尔麦，张华勇

（国家海洋技术中心，天津　300112）

海底接驳盒装置的散热结构设计及其热分析

李加平，齐尔麦，张华勇

（国家海洋技术中心，天津300112）

针对海底接驳盒装置的散热方式及结构进行了研究探讨。基于热传导散热机理，设计了一种圆柱内壁面结合螺杆顶紧的散热结构，使接驳盒装置的散热效率有所提高。针对所设计的散热结构进行了不同温度下不同发热功率下的仿真实验，得到了相对应的最高温度曲线。还进行了水箱接驳盒装置的散热实验，与所得有限元仿真数据进行了横向对比，进一步确定了所设计散热结构的合理性。

接驳盒装置；结构设计；散热；有限元；仿真

海洋科学正经历着从海面短暂“考察”到海洋内部作长期“观测”的明显变化。近年来，海底观测网逐渐成为海洋观测领域的研究热点，作为观测海洋和地球的第三种平台，将成为今后理解和预测海洋过程的主要观测方式之一［1］。海底观测网主要由数据中心［2］（Data Center，DC）、岸基站［3］（Shore Station，SS）、接驳盒［4-5］（Junction Box，JB）、科学仪器插座模块（Scientific Instrument Interface Module，SHM）和观测仪器（Instrument，I）5部分组成。其中接驳盒又具体分为主接驳盒（Primary Junction Box，PJB）和次级接驳盒（Secondary Junction Box，SJB）两类。作为海底观测节点的接驳盒装置是确保整个海底观测网的良好运行和维护的安全环节。

接驳盒相当于网络中的一个节点，其基本功能是通信中继和电能分配，根据实际需求，局部观测系统还可以通过子网节点形成扩展的观测系统，然后通过光电缆将接驳盒与骨干网上的某个节点连接起来。若干个这样不同功能的观测系统连接在骨干光纤上，就构成了海底观测网络系统。随着观测节点的增加，观测设备的更新，对整个系统的能量需求以及信息传输要求日益提高，这也就对海底接驳盒装置内部散热有了更高的要求。

海底接驳盒承担的任务很多，导致其内部的机械电气结构相当复杂，在大功率输出时，其内部电子元器件的发热量是相当可观的。相关研究表明，随着温度的升高，电子设备的使用寿命大幅度减少。电子元器件在高温下的失效率与低温时相比会大幅度增长，这对整个系统工作稳定性的影响是相当巨大的。选择合理的散热方式并设计适当的散热机构是海底接驳盒装置研发的重要环节，将接驳盒装置密封舱内的温度控制在一定范围内是整个系统能够高效可靠运行的前提。

因此，本文将结合一种中低压接驳盒装置的研发，运用计算机仿真计算和试验相结合的方式，对接驳盒的散热机理和散热结构进行研究探讨。

1　接驳盒散热机理

海底接驳盒装置放置于海底，受到海上设备布放以及制造技术的限制，接驳盒装置通常设计成一个体积较小且高度密封的金属舱体，依靠腔体承受深海高压，防止海水渗漏，这样的环境条件与传统散热要求的通风、宽敞相矛盾，因此决定了常规的电子元器件散热方式不再简单适用。

选择合理的散热方式并设计适当的散热结构是海底接驳盒装置研发的重要环节。而从传热学分析，所有的散热方式离不开热传导、热对流和热辐射3种基本传热方式。因此充分掌握3种传热的基本方式以及散热设计中选择方法，是正确展开系统热设计的基础。

由3种传热机理，可以得到3种散热方式。因为接驳盒密闭舱体内热辐射对整体的散热贡献不大，本文不做具体分析。根据热对流的传热机理可知，加快分子运动增多分子数目能够提高散热的效率。而在密闭的接驳舱内，其空间体积是固定的，为了提高散热效率，增多分子数目是比较合适的方法。目前采用较多的方式是充油式散热，可以取得较好的散热效率，但设备操作、维护的难度也相应较大。本文所设计中低压海底接驳盒装置，其设计输出功率最大为500 W，更希望通过操作较为便利的热传导式散热方式实现接驳盒舱内温度的控制。根据热传导的传热机理可知，发热源需要与密闭舱内壁面相互接触从而与外部海水环境构成闭合的散热回路。对于圆柱形密封舱体而言，以热传导为主要散热方式可以选择端盖和圆柱内壁面两种散热途径。

热传导遵循傅立叶定律，即单位时间内通过某界面的热量与垂直该界面的温度梯度以及截面面积成正比，数学表达式为：

式中：Q为热流量；λ为导热系数；A为垂直于热流方向的截面面积；为截面法向温度梯度。

基于热传导机理进行接驳盒装置散热结构的设计，研究分析元器件的功耗和产生的热量，设计相应的散热方案和实施方案。

2　散热结构设计

针对水下设备的散热结构及方式，近几年国内外已经研究设计出了一些装置。图1是西班牙水下观测接驳盒散热结构［7］，图2是ALVIN号载人潜器端面散热设计示意图［8］。

根据热传导的传热机理可知，发热源需要与接驳舱内壁面相互接触从而与外部海水环境构成闭合的散热回路。对于圆柱形密封舱体而言，以热传导为主要散热方式可以选择端盖和圆柱内壁面两种散热途径。结合参考国内外水下设备的散热结构及方式，本文针对端盖散热和接驳盒舱体内壁面散热两种散热方式进行了设计。

图1　Spain舱内结构

图2　ALVIN端盖散热结构

图3　散热结构1

图4　散热结构2

两种端盖散热结构均比较简单，且安装方便。如图3～图4所示，将电源模块直接固定在端盖上，这种结构节省空间且能够及时地把热量通过端盖传导出去。另一种选择是将电源模块固定在散热板的两侧上，通过散热板与端盖连接，形成热流量通路。

通过舱体内壁面散热的结构相对端盖散热结构复杂些，为了确保散热板与内壁面充分且紧密接触，本文设计了一种圆柱面散热板结合螺杆顶紧机构的散热结构，其结构图如图5所示。

图5　散热结构3

通过散热柱立板，利用螺钉连接将散热板与过渡板固定为一个整体。支撑套筒起着支撑作用并提供操作空间，利用螺钉连接将电源模块与散热板固定在一起。通过顶紧螺杆的操作，带动过渡板向腔体内壁面顶紧，而过渡板、散热板立柱、散热板已经固定为一个整体，所以可以完成对散热板与过渡板的顶紧，操作可从支撑套筒的上方进行人工操作。该结构安装与拆卸均比较方便，人工操作也省时省力。与此同时，可以达到散热板与腔体内壁紧密贴合的作用。

由于端面接触式散热方式受限于腔体端盖内壁面积的影响，对于内部发热源多的机电装备，一般是作为辅助的方式，壁面接触式散热方式由于其腔体壁面积较大，是水下机电装备中常采用的散热方式。根据壁面散热式的理想情况，忽略系统中热辐射所产生的热阻，则系统散热的总体热阻情况如图6所示。其中R1是电源到散热板的热阻，R2是散热板到内壁的热阻，R3是内壁面到外壁面热阻，R4是电源传到电路板热阻，R5是电路板到内壁热对流热阻，R6是外壁面传到海水等效热阻。

图6　热传导热阻图

由于舱内空间体积有限且为空气，热对流传导方式不是影响散热效果的主要因素，因此在仿真模拟的时候建立合理的热传导路径的散热方式，即：热源—R1—R2—R3—R6—海水。

3　仿真分析

热力学分析的目的就是计算模型内的温度分布以及热梯度、热流密度等物理量［13-15］。本文分别对这上述3种结构进行分析与仿真计算，以便对比分析选择比较合理的结构。由于接驳盒装置放置在海底，而海洋可视为一个无限大的环境且海水在不断流动和交换中。环境温度不会随着接驳盒装置升温而发生改变，即由接驳舱内部传导到外部环境的热量会被及时带走。因此，本文在仿真分析中，设定环境温度为一个恒定值。

系统热耗散功率直接导致设备升温，对于电子设备而言，有效功率通常比所需输出功率小，其中差额功率就转换为热量。对于海底接驳盒装置，发热源电源模块的损耗即所产生的热。本设计中电源模块的工作效率为85%～90%，损耗功率计算公式如式（2）：

式中：Pdiss为耗散功率；Pin为输入功率；Pout为输出功率；η为工作效率。为了使散热设计更偏于安全性，选择最低转换效率即85%来进行计算。当输出功率值最大即为500 W时，则损耗功率为：

因此，以下在有限元仿真计算中设置发热源的功率为75 W。

本文采用有限元仿真分析的是稳态热分析算法，环境温度（即海水温度）设定为20℃，发热功率设定为75 W。经计算运行后得到稳定的接驳舱整体的温度分布云图如图7～图8所示。

图7　结构1温度分布图

图8　结构2温度分布图

从图7中可见，最高温度产生在电源模块中间部位且最高温度为39.045℃。这种结构能够非常有效地利用空间，将电源模块直接与端盖固定，将热量通过端盖传导至海水，传热的效率更高。不足之处为端盖处面积有限，无法安装很多的电源模块，因此这种结构适用于对电能需求较小的接驳盒装置。

如图8所示，最高温度产生在散热板上末端远离端盖处，达到了272.06℃。这种结构能够有效地利用空间，在端盖处设计一个支撑结构，在导热良好的铝板两侧均可安装电源模块。电源模块产生的热量从铝板传至端盖，然后又由端盖将热量导入海水中。这种机械结构优点为电源模块便于安装，结构简单，能够使电源模块与散热铝板充分的接触，提高接驳舱内的空间利用率。不足之处为散热铝板与端盖处的接触面积过小，不能使热量及时地导出去（特别是舱内高负载工作时），容易形成热量积累，从而使接驳舱内温度急速升高。由仿真出的热稳态图可以看出，最高温度达到了272.06℃，在这样的高温下，舱内电子设备是不能正常工作的，这对整个系统的正常工作是相当不利的。

根据结构的对称性，将其进行适当简化，进行热分析仿真，得到温度分布云图如图9～图10。

图9　结构3舱外温度分布图

图10　结构3舱内温度分布图

如图10所示，最高温度产生在电源模块中间部位且最高温度为32.708℃。这种内壁面贴紧的方式可以使散热板与内壁面充分接触，增大了散热面积；提供了可靠的支撑结构，使内部布局更加稳定。不足之处为结构相对端盖散热来说复杂，增加了接驳盒整体的重量；需要较大的空间来布置散热板及其支撑结构，对接驳舱内空间的利用率没有达到最大化。

对端盖散热和内壁面散热进行对比，可以很明显地发现在发热功率相同的条件下，结构1与结构3散热具有很明显的优势，最高温度控制均在了50℃以下，达到了电子器件稳定工作的条件。但是结构1由于端盖面积有限，无法放置过多的电源模块，而结构3可以安装多组电源模块且温度控制在合理范围内，所以选择结构3为中低压海底接驳盒装置的散热机械结构。

为了积累对后期水池实验有参考价值的数据，利用有限元仿真分析工具中的稳态热求解模块，针对机械结构3，模拟计算了在不同的环境温度下，不同散热功率所产生的最高温度（电源模块中间部位），数据如表1。

表1　最高温度数据

将其绘制在二维图形中如图11所示。

从以上图表中，可以得出如下结论：

（1）环境温度和功率损耗同时作用于最高温度，且在环境温度一定的情况下，功率损耗与最高温度呈正相关关系；（2）在功耗一定的情况下，环境温度与最高温度的关系为，环境温度升高值与对应最高温度升高值呈正相关关系。

图11　不同温度下功耗与最高温度关系曲线

4　试验

为了进一步验证所设计机械结构的散热性能，我们在试验水箱中进行了接驳盒装置散热试验。利用热电偶测温法，在水箱中进行了接驳盒装置的散热实验。将多组热电偶布放在电源模块周围，封装好的接驳盒装置放置于水池中，其中电偶布置位置如下：

图12　热偶分布图

图13　接驳舱散热实物图

实验开始时，记录各项初始的参数值分别为初始环境温度24.1℃；总电压380 V；总电流731 mA。则输入功率为：

由公式（2）知，取效率为80%，则Pdiss=277.78×（1-80%）=55.556 W

实验进行3 h后，最终各个测试点的温度均达到稳定值，如表2所示。

表2　热偶温度数据

从表中可以看出最高的两个温度值为T4（38.4℃）和T5（38.3℃），产生在电源模块中间部位，这与仿真计算所得到的结果是一致的。

由水箱试验与仿真计算得到数据进行对比分析，考虑等效初始环境温度和损耗功率条件可知：仿真条件处于环境温度25℃下，损耗功率50～75 W之间。由图11可知，损耗功率与最高温度为正相关，取（50，35.264），（75，37.399）两组数据进行线性插值计算得到损耗功率为55.5 W时的最高温度值T55.5为：

仿真计算所得数据与试验数据基本吻合，最高温度值略低，相对误差为：

分析可知误差主要来自：（1）仿真计算中设定的环境温度不变，而水箱试验中，水量是有限的，环境温度会随着试验进行发生缓慢上升；（2）仿真计算中简化了散热机械结构，与实际情况必然有一定偏差；（3）仿真计算中设定的发热源为电源转换模块，而真实实验中除了主要发热源，接驳舱内其他电子设备也会产生一定的热量。（4）水箱试验时，损失功耗会随着实验的进行而发生变化，这将导致最高温度值发生改变。

根据接驳盒所选元器件的工作数据及实际试验情况知：当接驳盒内最高温度控制在T4以下时，其内部电路能够正常工作，即结构的散热效果能够满足接驳盒的散热要求。所得到的仿真分析数据对实际结构设计具有较好的参考性。

5　结论

本文选择了散热效果良好、结构合理的圆柱内壁面散热作为接驳舱内部的散热方式。通过与端盖散热方式的有限元热分析实验对比，可以清楚地得出圆柱内壁面散热结构及热传导散热方式具有更好的散热效果。与此同时，针对不同环境温度下的不同损失功率所产生的最高温度进行了分析与仿真，在水箱中进行了散热试验，利用热电偶测温法测得接驳舱内多点处的温度升至稳态值的变化过程。通过与仿真分析所得的数据对比，可知有限元仿真数据与水箱试验数据具有较好的吻合度，验证了本文所设计的散热结构的合理性，确保了散热效果的良好性。

［1］尹路，李延斌，马金钢，等.海洋观测技术现状综述［J］.舰船电子工程，2013，33（11）:4-7，13.

［2］Pivenne B，Guillemot E.The Data Management Systemfor the VENUSand NEPTVNE Cabled Observatories［J］.OCEANS2009.

［3］JonesRN.DeepSeaCabledInfrastructureObservatoriesDesignCriteriaandPhilosophyforShore-EndCableStations［J］.OCEANS2007.

［4］卢汉良，李德骏，杨灿军，等.深海海底观测网络水下接驳盒原型系统设计与实现［J］.浙江大学学报:工学版，2010，44（1）:8-13.

［5］Woodroffe A M，Pridie S W，Druce G.The NEPTUNE Canada Junction Box-Interfacing Science Instruments to Sub-Sea Cabled Observatories［C］//OCEANS2008MIT/LEEE Kobe Technology.Ocean Digital Object Identifier，2008.

［6］陈鹰，杨灿军，陶春辉，等.海底观测系统［M］.北京：海洋出版社，2006.

［7］俞徐海.海底接驳盒散热系统研究与实现［D］.杭州：浙江大学，2010.

［8］Glen McDonald，Matt Naiman.Heat Transfer Advances for Submerged Oceanographic systerms.［C］//OCEANS 02 MTS/IEEE，4，2045-2049.

［9］王钰岩.海底观测网科学仪器插座模块结构优化与观测平台研究［D］.杭州：浙江大学，2013.

［10］陶文铨.数值传热学［M］.西安：西安交通大学出版社，2001.

［11］王勖成.有限单元法［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［12］丁欣硕，凌桂龙.Ansys Workbench 14.5有限元分析案例详解［M］北京：清华大学出版社，2014.

［13］凌桂龙.Ansys 14.0热力学分析从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［14］许进峰.Ansys Workbench 15.0完全自学一本通［M］.北京：电子工业出版社，2014.

Design and Analysis of the Heat Dissipation Structure for Seafloor Junction Box

LI Jia-ping，QI Er-mai，ZHANG Hua-yong
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

This paper studies and discusses the heat dissipation design and mechanical structure of seafloor junction box.Based on the theory of heat conduction and dissipation，a kind of cooling structure with cylindrical internal wall combining screw cap is designed to improve the cooling efficiency of the junction box.Aimed at the designed mechanical structure，simulation experiments are conducted under different temperatures and varied heating powers，so as to obtain corresponding maximum temperature curve.The heat dissipation experiment is also carried out for assessing the junction box for cooling water tank.Through comparison between the obtained finite element simulation data and water tank data，this paper confirms the feasibility of the designed heat dissipation structure.

junction box；design of mechanical structure；heat dissipation；finite element simulation

P715.5

A

1003-2029（2016）01-0051-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.008

2015-07-18

国家海洋公益性行业科研专项资助项目（201505015）

李加平（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为海底观测设备机械结构设计与研究。E-mail：jiapingaijia@163.com