海底接驳盒装置的散热结构设计及其热分析.pdf

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1、第35卷第1期2016年2月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35．No．1Feb．2016doi：10．3969／j．issn．1003—2029．2016．01．008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)摘要：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

2、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。关键词：接驳盒装置；结构设计；散热；有限元；仿真中图分类号：P715．5文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)01—005l一06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】(DataCe

3、nter’DC)、岸基站【31(Shoresta—tion，SS)、接驳盒M(JunctionBox，JB)、科学仪器插座模块(Seient迈cInstⅢmentInte血ceModule，SHM)和观测仪器(Instmment，I)5部分组成。其中接驳盒又具体分为主接驳盒(PrimaryJunctionBox，PJB)和次级接驳盒(secondaryJunctionBox，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

4、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

5、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

6、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收稿日期：2015一07—18基金项目：国家海洋公益性行业科研专项资助项目(201505015)作者简介：李加平(1990一)，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—ma蛐iapingaijia@163．com52海洋技术学报第35卷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

7、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500w，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

8、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：Q=圳誓(1)式中：p为热流量；A为导热系数；A