一种适应热带高温地区的遥测野外机箱的改良设计

张 勇，肖 城，孙万里，顾 凯，何 焱

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；

3.四川省水文水资源勘测局，四川 成都 610036）

一种适应热带高温地区的遥测野外机箱的改良设计

张 勇1，2，肖 城1，2，孙万里1，2，顾 凯1，2，何 焱3

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；

3.四川省水文水资源勘测局，四川 成都 610036）

热带地区气温高、太阳辐射强，使得野外遥测设备机箱内部温度升高，较高的环境温度对遥测站设备的可靠性及功能和寿命都会产生不利影响。在常规遥测机箱的基础上改良设计带隔热层和通风窗的机箱，利用自然通风散热，不仅有效阻挡太阳光的直射，还可增加机箱内的空气流动，降低野外机箱内部温度，机箱内遥测设备工作在较好的工作环境中。应用实践表明改良设计的机箱完全可以降低机箱内温度，可以在高温地区使用。

热带；高温地区；遥测设备；野外机箱；隔热层；温度降低

热带地区气温高，在热带地区建设水文自动测报系统，野外自动遥测站工作环境十分恶劣。随着遥测终端机的集成度及设备组装密度的逐渐提高，设备体积日益减小，致使电路板单位表面热流密度增大。随着温度的增加，元器件的失效率将呈指数增长，降低了设备的可靠性。为保证热带高温地区的野外遥测终端的正常使用，在原先遥测机箱的基础上进行了改良设计，设计了适应高温地区湿热环境的遥测野外机箱，可以有效降低机箱内部温度，保证机箱内各种设备工作的稳定性和可靠性。

1 野外机箱的设计背景

1.1 热带气候环境

热带高温地区最显著的特点是全年气温较高，四季界限不明显。在这一区域内，由于地表及降水的不同，热带气候又反映出不同的特点。热带地区，气温很高，夏季日照下平均气温在 35℃ 以上，极端气温甚至超过 44℃。

根据水文自动测报系统观测规范要求，建设的遥测站附近必须无遮挡，在强烈的太阳辐射和较高气温的共同作用下，通过遥测站设备常规机箱外壳和开敞的百叶窗口，大量的热量传进机箱内，使得无防护的机箱内温度最高超过 50℃。

1.2 高温带来的问题

户外环境下，湿热的条件对电子设备的可靠性及设备的功能和寿命都产生很大影响。高温高湿对大气污染物起着催化作用；高湿会提高化学颗粒的活性，水汽吸附于物体表面，还会通过扩散、渗透等方式进入电路板材料内部；高温则会加快盐雾和砂尘引起的腐蚀；同时温度和湿度又是霉菌生成的关键因素。

在遥测站常会出现如下问题：

1）常规遥测终端机使用环境条件为 -10～+ 45℃[1]，遥测站设备的工作温度为 -10～+45℃[2]。在阳光的照射下，遥测站野外机箱表面温度非常高，野外机箱内部温度将会超过 50℃，长时间的高温环境会使得机箱内的数据采集终端机、通讯模块、蓄电池、太阳能充电控制器等设备工作不稳定，甚至停止工作。

2）高的湿度易导致设备元器件的短路，从而造成设备损坏，影响整个遥测系统考核运行效果，甚至使得系统不能按时验收。

3）长时间的高温高湿环境会使机箱内的电子设备工作寿命降低，运行维护费用增加。

2 野外机箱的改良设计

2.1 设计原理

野外机箱的改良设计原理是利用隔热层有效阻挡太阳光的直射，利用自然通风散热，增加机箱内的空气流动，使得野外机箱内部温度降低。

本设计采用自然散热方式，在左右两侧设有外侧隔热板，外侧隔热板和内侧壁面之间留有空间可以通风散热；在机箱内侧壁面设有出风口，另一侧设有进风口；在机柜顶部采用双层隔热设计，这样可以有效阻止太阳直射，使自然散热能力有效提升，有效解决高温问题，同时可以满足通信设备对防水、防尘、防盐雾的需求，有效控制机柜内部的相对湿度。机箱顶部、内部通风散热示意图分别如图1 和 2 所示。

图2 机箱内部通风散热示意图

2.2 设计内容

野外设备机箱要坚固和防锈；外型设计美观、大方，外形比例应协调；表面有一定的圆度、平行度、平面度，表面粗糙度要较低；机柜门采用适合野外的内嵌式防盗锁扣；箱体内部布置做到整洁、紧凑。

2.2.1 机箱尺寸确定

设计的野外机箱箱体尺寸为 500 mm×240 mm ×540 mm，完全满足野外遥测站点设备和模块（遥测终端机、蓄电池、太阳能充电控制器、通讯模块等）的安放。

2.2.2 材料选择

不锈钢材料不易产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损，304 不锈钢材料的金属制品耐高温，加工性能好，所以箱体、支架等部件采用 304 不锈钢材料，厚度为 2 mm，这样设备机箱既有足够的坚固性和轻便性，又具有良好的防水、防尘、防振性能。

2.2.3 顶部设计

机箱增加一层隔热板，必须单独放置在机箱顶部，隔热板高度为 5 cm，四周全部开孔通风。在机箱顶部设计隔热层，这样可形成空气流通的间层，利用间层通风，排走一部分热量，使机箱顶部形成二次排热，以降低传至机箱顶内表面的温度。经测试表明，其降温效果有显著的提高。

2.2.4 通风窗设计

为了散热，必须要在机箱的左右两侧合适的位置增加通风窗。根据测定，当窗户开口宽度为 1/3～2/3 时，开口大小为总面积的 15%～25% 时，通风效果最佳。经过计算确定侧面开孔宽度为 80 mm，高度为 100 mm。通风窗考虑防虫问题，里面应增加铁丝网防护。

2.2.5 侧面设计

机箱的左右两侧也是受到太阳辐射比较强烈的地方，所以在机箱左右两侧面增加隔热挡板。为了有效通风散热，隔热板与机箱间距设计为 50 mm。

因野外遥测站点的太阳能板都是朝南安装的，所以机箱箱门一般设计为朝北打开，因此机箱门一侧就不需要考虑安装隔热板了。

2.2.6 背面设计

机箱的背面设计放置太阳能板，经过优化设计后，太阳能板具有隔热板功能。

2.2.7 底部设计

在高温环境下，地面温度会很高，所以机箱底部不能直接放置在地面上。为此在机箱底部增加 4 个支撑部件，高度达到 100 mm，这样机箱底部也达到通风散热的目的。

2.2.8 外表处理

由于不锈钢的导热系数为 16 W/（m•K），属于热量的良导体，所以必须在机箱外表面进行喷漆处理，这样可以减少太阳辐射造成的集热。

野外机箱设计图如图3 所示（图中尺寸单位为mm）。

图3 野外机箱设计图

3 野外机箱的应用实例

改良设计的野外遥测机箱在印度奥里萨邦地区得到了实际应用的检验。印度奥里萨邦地区是全球最热的地区之一，由于整个邦坐落于热带地区，气候炎热，特别是在 4，5 月期间，平均日最高气温超过 40℃，该地区是检验这种野外设备机箱隔热效果的理想场所。

3.1 机箱安装

奥里萨邦所有的河流流域安装了 64 个自动遥测雨量站、20 个水库河道水位遥测站及 23 个自动气象站（监测雨量、湿度、温度、风速、风向、太阳辐射、大气压等）。这 107 个野外遥测站点全部采用改良设计的野外机箱，遥测站野外机箱基本上都是内部安装遥测终端机、GPRS 通讯模块、太阳能充电控制器、蓄电池等设备；机箱顶部安装了雨量计；机箱朝南面安装了太阳能电池板。

3.2 机箱降温效果

经过在奥里萨邦 5 月上旬至 6 月上旬的连续1 个月高温（气象台预报最高气温平均为 42℃）的考验，各遥测站的所有设备工作正常，中心站数据接收也正常。

为了验证野外机箱的实际降温效果，选取了2014 年 5 月 21 日白天日照强烈时间段（8:00—17:00），人工进行机箱内外温度的比测，比测得到的机箱内外温度如表1 所示。

表1 机箱内外温度表 ℃

表1 实测数据表明：机箱内的温度比室外大约降低了 16.93%，符合水文遥测设备工作的温度条件。

4 结语

经过改良设计的遥测野外机箱通过工程的实际应用，能明显检测到在高温环境下，机箱内部的温度依旧保持在设备理想的工作范围内。

经过工艺改良设计的机箱只是比普通机箱增加了隔热层和通风窗，就能使得机箱内部温度保持在较理想的状态。这种野外机箱具有设计工艺简单、生产成本低、降温效果明显的优点，完全可以在高温地区推广使用。

[1] 水利部机械局.SL/T 180-1996 水文自动测报系统设备遥测终端机规范[S].北京：中国水利水电出版社，1996: 2.

[2] 中华人民共和国水利部.SL 61-2003 水文自动测报系统技术规范 [S].北京：中国标准出版社，2003: 9.

Improved Design on Remote Sensing Cabinet Adapting to Tropical Hot Area

ZHANG Yong1,2, XIAO Cheng1,2, SUN Wanli1,2, GU Kai1,2，HE Miao3

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3.Bureau of Sichuan Hydrology and Water Resources Survey, Chengdu 610036, China)

High temperature and strong solar radiation in tropical area always lead to temperature increase within the cabinet, which could exert adverse effects on stability, functions and service life of equipment inside.Added heat insulation layer and ventilation window can reduce strong sunlight, increase heat divergence and airflow within the cabinet in such a way to decrease the temperature within the cabinet.In addition, this newly designed cabinet is proved to be able to bring down temperature inside and can be widely used in hot areas.

tropical district; hot area; telemetry equipment; cabinet; heat insulation layer; temperature reduction

TP873

A

1674-9405(2014)04-0044-04

2014-06-06

水利部科技推广计划项目（TG1313）资助

张 勇（1979－），男，江苏启东人，工程师，主要从事水情自动测报系统研究工作。