熱設(shè)計在機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

林召梅 宋冰 陳學(xué)友

摘 要：隨著電子設(shè)備不斷向小型化發(fā)展，對集成度和性能的要求越來越高，設(shè)備熱流密度不斷增加，散熱問題已成為制約電子技術(shù)發(fā)展的主要因素之一。熱設(shè)計在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中愈發(fā)重要，本文以機箱為例，根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，敘述了在機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以采取的一些散熱措施，以增加機箱的散熱能力，進而提高工作穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；散熱

引言

隨著電子設(shè)備不斷向小型化發(fā)展，對集成度和性能的要求越來越高，設(shè)備熱流密度不斷增加，散熱問題已成為制約電子技術(shù)發(fā)展的主要因素之一。熱設(shè)計在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中越來越重要，機箱的熱設(shè)計，就是根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，采取各種散熱措施，使機箱內(nèi)各級設(shè)備的工作溫度不超過其極限溫度，從而保證機箱在給定的熱環(huán)境中可靠穩(wěn)定的工作。

從散熱的角度來說，機箱主要分為密閉型機箱和通風(fēng)型機箱兩種，本文就這兩種機箱的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析。

1、冷卻方式選擇

要對機箱進行熱設(shè)計，首先要從確定機箱的冷卻方式開始。冷卻方式的選擇會直接影響機箱的裝配設(shè)計、可靠性、重量與成本等。由于選擇冷卻方式時需要考慮的因素比較多，因此選擇的方法也各不相同，目前使用比較多的方法是根據(jù)電子設(shè)備的熱流密度（表面散熱功率系數(shù)或體積發(fā)熱功率系數(shù)）來確定。表面散熱功率系數(shù)適用于設(shè)備外部散熱形式的選擇；體積發(fā)熱功率系數(shù)適用于設(shè)備內(nèi)部散熱形式的選擇[1]。一般的，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然散熱方式；熱流密度大于0.08W/cm2，體積發(fā)熱功率系數(shù)超過0.18W/cm2時，采取強迫通風(fēng)散熱[2]。

2、密閉機箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于使用環(huán)境的要求，比如室外惡劣環(huán)境或者電磁屏蔽性能要求高等，要求機箱必須為密閉型結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部空氣和外界環(huán)境隔絕，所以只有依靠機箱外殼向外界自然散熱。但在機箱內(nèi)部仍可分成自然散熱和內(nèi)部強制通風(fēng)散熱兩種形式；

2.1 內(nèi)部自然散熱

密閉機箱采取內(nèi)部自然散熱方式時，其內(nèi)部發(fā)熱元器件主要靠熱傳導(dǎo)的方式散熱，所以應(yīng)盡量使熱源與機箱外殼緊密接觸，保證熱量能迅速傳導(dǎo)到機箱，經(jīng)機箱外殼向外界散熱；

除了選用導(dǎo)熱性能好的材料做機箱外殼，還可以將機箱內(nèi)外表面全部設(shè)計成肋片式結(jié)構(gòu)，盡量增加機箱外殼與外界空氣的接觸面積；將機箱機殼內(nèi)外全部黑化，可以降低表面溫度。

2.2 內(nèi)部強迫通風(fēng)散熱

密閉機箱采取內(nèi)部強迫通風(fēng)散熱時，需在機箱內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)風(fēng)機，通合理布局內(nèi)部元器件及風(fēng)機，形成一個循環(huán)流道，將各熱源布局在流道上。保證風(fēng)機進出風(fēng)方向與流道方向一致，且進出風(fēng)口是流道的唯一通道，條件允許的情況下，風(fēng)機進出風(fēng)口可設(shè)計有與機箱殼體連成一體的散熱器，確保散熱器的散熱性能，在散熱器對應(yīng)位置的外部，設(shè)置冷卻裝置。

3、通風(fēng)型機箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

在使用環(huán)境允許的情況下，盡量選擇通風(fēng)型機箱，上述密閉機箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項均可適用于通風(fēng)型機箱，通風(fēng)型機箱又分為普通機箱及有電磁屏蔽性能要求的機箱。

3.1 普通通風(fēng)型機箱散熱設(shè)計

對普通通風(fēng)型機箱的散熱來說，在機箱外殼開通風(fēng)孔以及安裝通風(fēng)風(fēng)機進行強迫通風(fēng)散熱是非常有效的方法，其在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要注意：通風(fēng)孔應(yīng)盡可能對準(zhǔn)發(fā)熱元件；進、出風(fēng)口要盡量遠離且開在溫差比較大的對應(yīng)位置；進風(fēng)孔高度要比出風(fēng)孔高度底且出風(fēng)孔面積要大于進風(fēng)孔面積[3]。

選擇強迫通風(fēng)散熱時，風(fēng)機葉片一般裝在氣流下游，此時風(fēng)道較長，氣流速度分布可以得到改善；機箱內(nèi)風(fēng)道應(yīng)盡量縮短且要避免急劇彎曲，選用表面光滑的材料，以降低風(fēng)道阻力損失；風(fēng)道盡量密封，有搭接臺階時，需要順應(yīng)氣流流動方向；風(fēng)道的形狀可選用直錐形，易加工成型，且局部阻力小，不會產(chǎn)生負壓；

3.2 有電磁屏蔽要求的機箱散熱設(shè)計

通過對金屬板屏蔽原理的一般性分析知道，一個較封閉嚴(yán)密的機箱很容易達到較高的屏蔽效果[4]，然而由于通風(fēng)孔、線纜孔、機箱縫隙等原因會大大降低屏蔽效果，所以對有電磁屏蔽要求的機箱，在進行散熱設(shè)計時，開通風(fēng)孔后需進行處理，一般采用兩種方法：其一是利用屏蔽蓋板，第二就是采用蜂窩狀蓋板。其中屏蔽蓋板相對便宜，但它的屏蔽效能有限，并且由于紊流還會影響機箱內(nèi)部空氣的流動。而蜂窩狀蓋板既可以提供較好的屏蔽效能，而且重量輕、空氣阻力小，因此被普遍采用[5]。

結(jié)束語

本文以密閉型機箱及通風(fēng)型機箱為例，對自然散熱以及強迫通風(fēng)散熱在機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進行了敘述，從機箱材料的選擇、通風(fēng)孔設(shè)置、風(fēng)道的設(shè)置等方面進行了簡要的總結(jié)，僅供參考。

參考文獻

[1] 王健石、朱炳林 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)工程師手冊 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2013.3

[2] 邱成悌、趙惇熠、蔣全興 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 東南大學(xué)出版社.2005

[3] 周旭 現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計制造手冊 北京：電子工業(yè)出版社.2008

[4] 區(qū)健昌. 電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計理論與實踐 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 程華.電磁屏蔽在電子機箱設(shè)計中的應(yīng)用[J].甘肅科技.2015