某船用电子机柜热设计研究∗

张云超（中国船舶重工集团公司第七二六研究所上海201108）

某船用电子机柜热设计研究∗

张云超
（中国船舶重工集团公司第七二六研究所上海201108）

论文针对某船用电子设备的开式机柜进行散热设计，建立了该机柜的三维模型和自然散热情况下的热路图，并对该机柜的自然对流换热、辐射换热、传导散热和通风孔散热的功率进行了计算分析。然后对该机柜强迫风冷下的散热进行分析计算和实验验证，优化了该机柜的热设计。

开式机柜；自然散热；强迫风冷

Class Num ber TH12

1 引言

随着温度的升高，失效率迅速增加。一般元器件的环境温度升高10℃，元器件的失效率会增加一个数量级［1］。

电子设备的热环境通常包括：环境温度和压力的极限值；环境温度和压力的变化率；太阳或周围物体的辐射热；可利用的热沉（又称热地）；冷却剂的种类、温度等参数。所谓热沉，是指一个无限大的热容器，它的温度不随传递到它的热能大小而变化，它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地［2］。

2 整机自然散热分析

自然冷却时，机箱散热主要包括空气自然对流换热、辐射换热、传导散热和通风孔散热。

某机柜外形尺寸为高度H为1.6m，宽度a为 0.6m，深度b为0.55m，热功率750W（电功率3kW，热效率按25%计算），以环境温度30℃，机柜壁温45℃设计环境下，设计自然冷却环境下通风孔的最小面积。

该电子机柜的三维模型如图1所示，该机柜顶部设计有通风孔，为开式机柜，其热路模型如图2所示。

2.1 空气自然对流换热

通过机柜外壁所传递的热量为

式中：h为对流换热系数(W/(m2×°C))；A为散热面积(m2)；D t为温度差(°C)；k为导热系数(W/(m×°C))；D为是特征尺寸(m)；C，n为系数，取值如表1；Gr为葛拉晓夫数；Pr为普朗特数；β为体积膨胀系数；v为运动粘度；μ为粘度；Cp为比热。

表1 系数C，n取值表

侧壁的对流换热系数为

顶面的对流换热系数为

底面的对流换热系数为

机柜侧面的表面积为

机柜底面和底面的表面积为

综上，在自然对流换热状态下，机柜的对流换热总热量为

2.2 辐射换热

根据基尔霍夫定律，实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比为黑度（也叫黑率），黑度的大小取决于物体的材料、温度及其表面状态（如粗糙度、氧化程度和涂覆情况等），得到机柜的辐射热量计算公式如式（3）

式中：ε为黑度；T为温度（K）。

该机柜的总面积为

根据机柜的表面涂层，黑度为0.8，机柜的辐射散热总热量为

2.3 传导散热

机柜的热量可以通过底部的8个M12不锈钢螺钉传导散热，其传热量可以通过式（4）计算：

式中：δ为厚度(m)。

该机柜传导散热量为

2.4 通风孔散热

机柜通过自然对流散热、辐射散热、底部的传导散热三种方式总散热为

式中：H为进出风口高度差(m)；A为通风孔面积(m2)；D t为进出风口的温差(°C)。

机柜顶部出风口与底部进风口高度差为1.5m，进出口空气温差10(°C)，通风孔最小面积为

综上，进风口最小面积应大于0.09m2，顶部出风口应该比进风口略大一些。由理论计算可看出，自然散热条件要求的通风口面积略大，不利于进行整体的防护设计，需要考虑进行强迫风冷设计。

3 整机强迫风冷设计分析

设计在机柜顶部安装风机，通过强迫风冷的方式进行散热计算。根据热平衡方程，可得到机柜所需的通风量为

式中：ρ为空气的密度；D t为冷却空气进出口温差(°C)。

D t的确定涉及一系列迭代计算，一般可取10°C左右。在精确计算时，要考虑到机柜四周对大气的辐射和自然对流换热所散去的热量，再求所需风量。

若不考虑机柜的辐射散热和自然散热的散热量，所需风量为

在选择风机时，还要考虑到风机的效率，这是由于气体流经风机的叶轮槽道、外壳时有阻力损失，以及机壳中气体的泄露造成的。

4 结语

本试验所用W2E143-AA09-01型风机，其功率26W，最大风量0.11m3s，风机效率为75%。通过24小时整机试验，整体散热满足设计要求。

通过采用强迫风冷的方式，减少了通风口面积，再风机口安装过滤网和防护网，成本相对较低，且结构简单。

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Therm alResearch on M arine Electronic Equipm ent

ZHANG Yunchao
（No.726 Institute，CSIC，Shanghai 201108）

In this paper，the thermal design of a open cabinetofmarine electronic equipmemt is presented.The cabinetƳs 3D modeland thermal diagram ismade，and the heatpower of the natural convection，radiation，conduction and ventilation from air-in⁃take are calculated.Then heatpower of the forced air cooling isalso calculated and tested，the thermal design isoptimized.

open cabinet，natural convection，forced air cooling

TH12

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.035

2016年11月7日，

2016年12月27日

张云超，男，工程师，研究方向：船舶电子设备结构设计。