一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法技术

本发明专利技术属于传热分析技术领域，具体涉及一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法。所述方法针对现有海洋设备密闭耐压舱体，结合大功率电源模块的散热情况，进行耐压舱内部热传递情况的分析建模，用来分析耐压舱在密闭环境下的热量传递情况，能够分析获得直流电源模块产生的热量对采集舱内直流电源以及舱内不同位置处温度的影响。

A Heat Transfer Analysis Method for DC Power Supply Module of Underwater Data Acquisition Cabin

【技术实现步骤摘要】
一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法
本专利技术属于传热分析
，具体涉及一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法。
技术介绍
目前，海底观测网络已经成为人类认识海洋、研究海洋的重要手段。作为海洋观测的重要手段，海底观测网络能长期、实时、连续的获取所观测海区海洋环境信息，对于海洋减灾防灾、海洋生态系统保护、海洋权益维护、海上航运和国防安全等具有重大战略意义。数据采集舱是海底观测网的重要组成部分，是传感器和接驳盒连接的中继。由于在海水中要承受巨大压力，数据采集舱一般为圆柱形结构，尺寸小，舱内安装有众多不同功能的电子器件，负责为各类传感器提供能源和数据通信链路。舱内直流电源模块功率大，发热严重，在密闭舱体内散热效率低导致电源模块的可靠性和使用寿命降低；同时还导致舱内温度升高，影响其他电子器件的测量精度、工作可靠性和使用寿命。因此，数据采集舱的大功率直流电源模块的散热成为影响系统长期运行可靠性的关键。现有技术中，对于密闭水下耐压舱体，没有成熟的舱内热传递分析模型。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法，能够分析所述直流电源模块产生的热量对采集舱内直流电源以及舱内不同位置处温度的影响。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法，用于分析数据采集舱内直流电源模块产生的热量在舱内的热量传递及温度分布情况；所述方法包括：在舱体两端密闭情况下，将舱内电路板的传热模型简化为：舱内包括一长度为l的衬板，衬板的两端分别与温度为t1的直流电源模块以及与温度为t2的舱外环境接触，衬板表面与舱内温度为tf的空气对流换热；以所述直流电源模块为坐标轴心建立坐标系，x表示舱内某一点远离直流电源模块这一热源位置的水平距离；根据能量守恒定律，直流电源模块发出的热量φ1：φ1＝φ2+φ3其中，φ2为直流电源模块传导的热量，φ3为直流电源模块与空气对流传热的热量；式中，t表示舱内x位置处对应的温度，λ为舱内印刷电路板的导热系数，b为直流电源模块宽度，δ为印刷电路板的厚度，h表示直流电源模块表面与空气的换热系数；整理得：代入边界条件：x∈[0,l]，推导微分方程，有：通过该微分方程，计算在x轴方向上，距离直流电源模块距离为x处的点的温度t；计算直流电源模块表面的温度变化量Δt：q单位面积直流电源模块发热量，h为直流电源模块表面与空气的换热系数；其中，φ为直流电源模块的发热功率，A为直流电源模块散热的表面积；Nur为努塞尔数；lr为直流电源模块短边长度；λ为内部印刷电路板的导热系数；Nur＝B(Gr*cPr)m，其中，Gr*c为格拉肖夫数，空气膨胀系数α取0.003；重力加速度g取9.8m/s2；λ为内部印刷电路板的导热系数；v表示运动黏度，q为单位面积直流电源模块发热量；B、m为常数；根据Δt能够获得直流电源模块本身，即x＝0处的温度变化。进一步地，当舱外环境温度t2为标准室温25℃，直流电源模块尺寸为110mm×60mm时，在x方向上随着距离直流电源模块越远温度逐渐降低，计算获得直流电源模块的表面温度t1为75℃，X方向距离直流电源模块0.5m处的温度为42℃。进一步地，为保证数据采集舱能够长期可靠运行，以一般商业级电子器件的温度上限为基准，需要将舱内平均温度控制在45℃以下，根据所述传热分析方法，需要将舱内各种电子器件远离直流电源模块40cm以上。一种水下数据采集舱直流电源模块的散热系统，水下数据采集舱内的各直流电源模块焊接在同一块电路板上，以将热源集中；在数据采集舱舱壁和直流电源模块热源之间采用铝合金材质的散热器建立导热通路；所述散热器的底部和直流电源模块通过螺栓连接，所述散热器的顶部为与舱体内径相同的圆弧形；散热器底部尺寸大于直流电源模块上部的尺寸，即所述散热器底部相对直流电源模块向外延伸，形成延伸部；所述散热器和衬板通过支撑导柱连接，所述支撑导柱的一端固定在所述衬板上，另一端穿过所述散热器底部两侧的延伸部的通孔，位于所述散热器和所述衬板之间的支撑导柱上套设有弹簧；当有外力作用于散热器时，散热器在弹簧作用下沿着支撑导柱上下移动以调节散热器的高度，当撤去外力后，在弹簧推力作用下，散热器紧贴于数据采集舱的舱壁，以避免在装配时与舱体产生干涉，消除了因加工及装配误差等因素造成二者之间存在的空隙。本专利技术的有益技术效果：本专利技术所述方法针对现有海洋设备密闭耐压舱体独特的设计理念和应用场景，结合大功率电源模块的散热情况，进行耐压舱内部热传递情况的分析建模，用来分析耐压舱在密闭环境下的热量传递情况；实际应用时，能够以本专利技术提供的传热分析方法为基础，提出散热结构的优化设计方案，以及用于评估散热系统的效果。附图说明图1为本专利技术实施例中密封舱传热模型坐标轴建立示意图；图2为本专利技术实施例中密封舱内传热模型及理论计算结果；图3为本专利技术实施例中第一种水下数据采集舱直流电源模块的散热系统示意图；图4为本专利技术实施例中第二种水下数据采集舱直流电源模块的散热系统示意图；图5为本专利技术实施例中在数据采集舱内加装散热器前后直流电源模块温度变化；图6为本专利技术实施例中在数据采集舱内加装散热器前后舱内不同位置处的温度；图7为本专利技术实施例中数据采集舱在海试期间舱内外温度；图8为本专利技术实施例中数据采集舱在海试期间开机后直流电源模块温度稳定时间。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本专利技术。如图1所示，直流电源模块和各种电子器件密集安装在内径为Φ190mm的舱内两块衬板上，由于直流电源模块自身存在一定的阻抗以及在电压转换(48-12V/5V)时的损耗，在负载多、输出功率较大时，会产生大量的热量。为研究这些热量对直流电源模块以及舱内不同位置处温度的影响，根据传热学相关理论，本专利技术实施例提供一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法，建立了舱内传热模型。对舱内传热路径进行分析：根据传热理论，热量的传递方式有：热传导、热对流和热辐射，对于本专利技术中直流电源模块的热传递方式以热传导和热对流为主，由于热源温度与环境温度处于同一数量级，可以忽略热辐射。传递路径简化为：热源—舱内导热介质—金属舱体—空气(海水)。对舱内传热进行分析：根据前期实验经验，直流电源模块尺寸为110mm×60mm，其发热功率约为2.4W。本专利技术提供的水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法中，由于直流电源模块并不与舱体和其他电子器件接触，发热时仅存在和空气自然对流传热，分析的前提，忽略周围电路板对空气流动的影响，环境温度为25℃。在舱体两端密闭情况下，将舱内电路板的传热模型简化为：舱内包括一长度为l的衬板，衬板的两端分别与温度为t1的直流电源模块以及与温度为t2的舱外环境接触，衬板表面与舱内温度为tf的空气对流换热；如图1所示，以直流电源模块为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法，其特征在于，用于分析数据采集舱内直流电源模块产生的热量在舱内的热量传递及温度分布情况；所述方法包括：在舱体两端密闭情况下，将舱内电路板的传热模型简化为：舱内包括一长度为l的衬板，衬板的两端分别与温度为t1的直流电源模块以及与温度为t2的舱外环境接触，衬板表面与舱内温度为tf的空气对流换热；以所述直流电源模块为坐标轴心建立坐标系，x表示舱内某一点远离直流电源模块这一热源位置的水平距离；根据能量守恒定律，直流电源模块发出的热量φ1：φ1＝φ2+φ3其中，φ2为直流电源模块传导的热量，φ3为直流电源模块与空气对流传热的热量；

【技术特征摘要】
1.一种水下数据采集舱直流电源模块的传热分析方法，其特征在于，用于分析数据采集舱内直流电源模块产生的热量在舱内的热量传递及温度分布情况；所述方法包括：在舱体两端密闭情况下，将舱内电路板的传热模型简化为：舱内包括一长度为l的衬板，衬板的两端分别与温度为t1的直流电源模块以及与温度为t2的舱外环境接触，衬板表面与舱内温度为tf的空气对流换热；以所述直流电源模块为坐标轴心建立坐标系，x表示舱内某一点远离直流电源模块这一热源位置的水平距离；根据能量守恒定律，直流电源模块发出的热量φ1：φ1＝φ2+φ3其中，φ2为直流电源模块传导的热量，φ3为直流电源模块与空气对流传热的热量；φ3＝bdxh(t-tf)；式中，t表示舱内x位置处对应的温度，λ为舱内印刷电路板的导热系数，b为直流电源模块宽度，δ为印刷电路板的厚度，h表示直流电源模块表面与空气的换热系数；整理得：代入边界条件：x∈[0,l]，推导微分方程，有：通过该微分方程，计算在x轴方向上，距离直流电源模块距离为x处的点的温度t；计算直流电源模块表面的温度变化量Δt：q单位面积直流电源模块发热量，h为直流电源模块表面与空气的换热系数；其中，φ为直流电源模块的发热功率，A为直流电源模块散热的表面积；Nur为努塞尔数；lr为直流电源模块短边长度；λ为内部印刷电路板的导热系数；Nur＝B(Gr*cPr)m，其中，Gr*c为格拉肖夫数，α为空气膨胀系数；g为重力加速度；λ为内部印刷电路板的导热系数；v表示运动黏度，q为单位面积直流电源模块发热量；B、m为常数；根据Δt能够获得直流电源模块本身，即x...

【专利技术属性】
技术研发人员：高皜，李正宝，杜立彬，张晓楠，刘杰，姚贵鹏，陈杰，曲君乐，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37