熱設計在機箱結構設計中的應用

林召梅 宋冰 陳學友

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

關鍵詞：熱設計；結構設計；散熱

引言

隨著電子設備不斷向小型化發展，對集成度和性能的要求越來越高，設備熱流密度不斷增加，散熱問題已成為制約電子技術發展的主要因素之一。熱設計在電子設備結構設計中越來越重要，機箱的熱設計，就是根據傳熱學的基本理論，采取各種散熱措施，使機箱內各級設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境中可靠穩定的工作。

從散熱的角度來說，機箱主要分為密閉型機箱和通風型機箱兩種，本文就這兩種機箱的散熱結構設計進行分析。

1、冷卻方式選擇

要對機箱進行熱設計，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電子設備的熱流密度（表面散熱功率系數或體積發熱功率系數）來確定。表面散熱功率系數適用于設備外部散熱形式的選擇；體積發熱功率系數適用于設備內部散熱形式的選擇[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，體積發熱功率系數超過0.18W/cm2時，采取強迫通風散熱[2]。

2、密閉機箱散熱結構設計

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

2.1 內部自然散熱

密閉機箱采取內部自然散熱方式時，其內部發熱元器件主要靠熱傳導的方式散熱，所以應盡量使熱源與機箱外殼緊密接觸，保證熱量能迅速傳導到機箱，經機箱外殼向外界散熱；

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

2.2 內部強迫通風散熱

密閉機箱采取內部強迫通風散熱時，需在機箱內部設置通風風機，通合理布局內部元器件及風機，形成一個循環流道，將各熱源布局在流道上。保證風機進出風方向與流道方向一致，且進出風口是流道的唯一通道，條件允許的情況下，風機進出風口可設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，在散熱器對應位置的外部，設置冷卻裝置。

3、通風型機箱散熱結構設計

在使用環境允許的情況下，盡量選擇通風型機箱，上述密閉機箱散熱結構設計注意事項均可適用于通風型機箱，通風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 普通通風型機箱散熱設計

對普通通風型機箱的散熱來說，在機箱外殼開通風孔以及安裝通風風機進行強迫通風散熱是非常有效的方法，其在結構設計時要注意：通風孔應盡可能對準發熱元件；進、出風口要盡量遠離且開在溫差比較大的對應位置；進風孔高度要比出風孔高度底且出風孔面積要大于進風孔面積[3]。

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

3.2 有電磁屏蔽要求的機箱散熱設計

通過對金屬板屏蔽原理的一般性分析知道，一個較封閉嚴密的機箱很容易達到較高的屏蔽效果[4]，然而由于通風孔、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，在進行散熱設計時，開通風孔后需進行處理，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]。

結束語

本文以密閉型機箱及通風型機箱為例，對自然散熱以及強迫通風散熱在機箱結構設計中的應用進行了敘述，從機箱材料的選擇、通風孔設置、風道的設置等方面進行了簡要的總結，僅供參考。

參考文獻

[1] 王健石、朱炳林 電子設備結構工程師手冊 北京：化學工業出版社.2013.3

[2] 邱成悌、趙惇熠、蔣全興 電子設備結構設計原理 東南大學出版社.2005

[3] 周旭 現代電子設備設計制造手冊 北京：電子工業出版社.2008

[4] 區健昌. 電子設備的電磁兼容性設計理論與實踐 [M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[5] 程華.電磁屏蔽在電子機箱設計中的應用[J].甘肅科技.2015