一種車載強迫風冷密閉機箱的設計

關鍵詞：電子設備，熱仿真，機箱，FloEFD軟件

中圖分類號：U463.6文獻標志碼：A 文章編號：1674-9545（2025）03-0014-（06）

DOI：10.19717/j.cnki. jjun.2025.03.003

車載電子設備長期工作在高溫、高海拔、高鹽霧、潮濕、淋雨等惡劣環境，為保證其在不同環境下均可正常工作，需對機箱采取防塵、防水的密封設計。機箱內部大多是由功耗比較高的元件組成，元件在密封機箱內部的散熱效果尤為重要。單個發熱器件的散熱效果直接影響設備性能及使用壽命[]，曾有研究表明，發熱器件溫度每升高 10% ，產品失效的概率將升高一個數量級，因此，機箱必須進行合理的優化設計，滿足復雜的使用環境的要求。

1整機設計

車載強迫風冷密閉機箱由機箱箱體以及安裝在機箱內部的VPX標準模塊組成。

1.1機箱箱體結構設計

機箱箱體由機架、前面板、后面板、左側板、右側板、上蓋板、下蓋板1和下蓋板2組成，其中機架釬焊成型（見圖1），由前框、后框、左框、右框、上頂板、下底板以及中間隔板焊接而成，經二次加工后與其余零件進行螺裝。

機架的左右框內側設計多組標準模塊插槽，模塊通過兩側的楔形導軌固定于插槽中；機架的下底板外側以及左右框的外表面設有散熱翅片，提升了箱體散熱性能的同時又減輕了箱體重量。

圖1機架結構示意圖

1-前框2-中間隔板3-上頂板4-右框5-后框6-左框7-下底板

1.2機箱箱體散熱設計

機箱采用強迫風冷方式進行散熱，風扇固定于箱體的上蓋板處，冷風從箱體底部進風口進入，流經左右兩側散熱翅片將熱量帶走，再由上蓋板處的風機抽出，機箱內氣流走向示意圖如圖2所示。在散熱的整個過程中，氣流只在機架外表面流通，不與內部模塊直接接觸，使得機箱內部同外部環境完全隔離，達到機箱的全密閉，進而實現防水、防塵的要求。

機箱內模塊散熱方式有兩種，對于發熱量不高的模塊1、模塊2、模塊3采取依靠模塊的楔形鎖緊機構將熱量傳導至機箱左右兩側板，然后由機箱側板氣流帶走熱量；發熱量較高的模塊4，除楔形鎖緊機構散熱途徑外，模塊冷板還直接貼合機箱底板（擴大了散熱接觸面積），熱量由冷板傳至底板，靠流經底板處的氣流帶走熱量，散熱途徑示意如圖3。

圖2氣流走向示意圖

圖3散熱途徑示意圖

對于機箱而言，散熱的關鍵是散熱翅片的設計，翅片設計的優劣以改變風阻大小的方式來影響機箱實際的散熱效果。在結構外形不變的情況下，減小散熱翅片厚度可以有效增加散熱面積，提升散熱能力，同時受加工工藝等因素影響，一般散熱翅片取 2mm 厚度。散熱翅片受結構外形限制，長度取最大值 120mm 。至于散熱翅片間距b，可根據下式[2]得出最佳值為 6mm 。

式（1）中：L散熱翅片長度（單位： m ）； v -運動粘度（單位： m²/s ）； β -流體膨脹系數（單位： 1/^°C ）； Δt -散熱翅片和外界環境溫度差（單位： C ）。

散熱翅片的高度H（單位： ?_m ）與散熱量 Φ （單位：W）關系如下

式（2）中： h- 散熱翅片和外界環境熱交換系數（單位：W/ m²/K ）； k- 散熱翅片的導熱系數（單位： W/m/k ）；

在其他條件不變的情況下，散熱翅片高度越高，散熱量越大，對于tanh ）函數而言，當高度上升至一定程度時，其增量變化開始不明顯，工程上建議取值為0.7，進而得出散熱翅片高度為 14mm 。

1.3機箱電磁兼容性設計

設備應能有效地抵抗來自自然環境和周圍設備的電磁干擾，并使產品產生的電磁干擾抑制達到可允許的程度，保證設備在預定的電磁環境中能正常兼容工作。機箱框架為焊接結構，本身已具備電連續性，通過對面板的處理，即可實現機箱的全屏蔽。機箱內表面采用了導電氧化的鍍層，有效地保證機箱框架各部分之間的電連續性。焊接機架與前后面板貼合處分別設計導電圈安裝槽和密封圈安裝槽進行雙密封，可消除機箱面板、底板等結合處的間隙，并保證機箱密封和屏蔽性能。膠條槽位置位于面板固定螺釘內側，螺釘孔開孔時為盲孔，以實現更好的電連續性和屏蔽效果。

良好的接地是減少各電路相互串擾的一種重要方法[3]，機箱進行設計時，保證所有結構件接觸良好，接觸面需有足夠的壓緊力、良好導電性。后面板配有接地柱，通過扁而粗的接地電纜與大地相連。

1.4機箱的環境適應性設計

環境適應性是指機箱在其壽命期預計可能遇到的各種環境的作用下能夠實現其預定功能，性能不被破壞的能力，是機箱的重要質量特性之一。為提高機箱的環境適應性，特采取以下措施。

（1）機箱箱體材料選擇耐腐蝕性能優良、力學性能良好、加工性能好且較好焊接性能的防銹鋁5A06;（2）機箱外部標準件、電連接器殼體等選用抗腐蝕的 06Cr₁₇Ni₁₄Mo₂ ：（3）導電圈、密封圈、連接器屏蔽墊等均選用耐腐蝕、性能穩定的材料；（4）焊接完成后，整體先進行導電氧化（AI/Ct?ocd） ）處理，然后在無導電要求的機箱外表面（散熱翅片處除外）噴涂具有極好化學惰性的氟碳漆。

1.5模塊設計

模塊在結構設計過程中貫徹通用化、系列化、組合化（模塊化）設計思想，結構主要包括模塊主體、起拔器、楔形鎖緊機構和連接器等，如圖4所示。楔形鎖緊機構減小了兩接觸面的接觸熱阻，有效地提高了熱傳導能力，并且具有良好的防松效果和較大夾持力，結合模塊的起拔器實現了模塊的快速插拔。

圖4模塊結構示意圖

根據工程應用經驗和試驗分析，個別元器件發熱量大且分布比較集中時，模塊主體不能被認為是恒溫板，為便于模塊內部熱量的導出，模塊的散熱冷板需要一定的厚度。由于粗糙度的存在，發熱芯片與散熱冷板的凸臺接觸處會有一定的空氣間隙，這就產生了接觸熱阻，為便于熱量的導出，采用導熱硅膠墊對接觸面進行填充，將空氣擠出接觸面，從而降低接觸熱阻的阻值。導熱硅膠墊在強化導熱的同時，也具有絕緣、粘結等特性。

此外，在PCB板布局時，將發熱芯片（如DSP、FPGA等）分散錯開排列，讓發熱量較大芯片避開模塊中間位置，盡量靠近模塊兩側導軌也是利于模塊熱量傳導的有效方式。

2散熱分析

2.1導熱方式

機箱散熱過程中導熱方式有三種，熱傳導、熱對流和熱輻射。

（1）熱傳導。熱傳導是指熱量在溫度高的物體向度低的物體或者同一物體從溫度高的區域向溫度低的區域傳遞的過程，機箱內部的熱傳導主要包括發熱芯片與模塊主體、發熱芯片與印制板、印制板與模塊主體、模塊與機箱結構件之間接觸形成的熱傳導。

式（3）： λ^- 導熱系數，單位：W／（ Φ_m?ΦK?Φ ;A-傳熱截面積，單位： m² 溫度梯度矢量，單位： K/m ：

Φ^- 總熱流量（單位： W ）， q- 熱流密度（單位： ）。

（2）熱對流。熱對流是指空氣流經機箱外表面時，因兩側溫度不同而發生熱量交換的過程熱對流可參照牛頓冷卻公式來進行計算。

式（4）： h- 熱對流交換系數（單位：W（ m² ·K））；A-熱對流面積； Δt^- 溫度差值（單位：K）;

（3）熱輻射。熱輻射是指高溫物體通過電磁波輻射的形式把熱量向外散發的一種傳熱方式。輻射熱具有可以不依賴接觸而進行能量傳遞的特性，故機箱內部所有設備之間以及機箱自身均時刻對外輻射熱量。斯蒂芬-玻爾茲曼以公式的方式對物體輻射熱量的能力（輻射力）進行表述。

E=εE_b=εσ_bT4

式（5）中： σ_b -黑體輻射系數（單位： m² ·K4 ）； ε -輻射黑度，是指實際物體的輻射力與相同溫度下黑體的輻射力的比值，是一個常數。

在機箱的整個傳熱過程中，涉及的傳熱很復雜，包含固體間的熱傳導，也包含冷空氣與機箱外側散熱翅片間的流固耦合散熱。流體參與的散熱過程遵循：質量守恒、動量守恒以及能量守恒[4-7] 。

（1）質量守恒方程。質量守恒方程經常以連續性方程的形式出現，指在一定體積區域內，在特定的時間內流人的流體質量和流出的流體質量相等。

式 （6）：ρ? -流體密度（單位： kg/Ωm³ ）； u_x-x 方向速度（單位： m/s ）； u_y-y 方向速度（單位：m/s ）； u_z-z 方向速度（單位： m/s ）。

（2）動量守恒方程。對于流場內單位體積區域，區域內所受外力的總和等于區域內流體動量的增加率相等，把區域內流體進行微分處理，結合切應力方程以及牛頓第二定律，可以得出該區域內的動量守恒方程：

式（7）－（9）中： μ- 動力黏度（單位：m²/s ）； g_x-x 方向重力加速度值（單位： m/s² ）；g_y-y 方向重力加速度值（單位： m/s² ）； g_z-z 方向重力加速度值（單位： m/s² ）； P -流體的壓力（單位：N）。

（3）能量守恒方程。對于流場內單位體積區域，區域內流體的內能在單位時間內的變化量值，等于外部的作用力對這一區域內流體所做的功加上流人這一區域內的凈熱流量，結合熱力學第一定律得：

式（10）中：T-流體溫度（單位： C ）； a- 流體熱擴散系數（ a=k/ρC_P ）， C_P -流體比熱（單位： J/kg?C^′ ）； S_T -單位體積流體的熱流量（單位： W/m³ ）。

對于固體而言，其內部流量守恒方程，本質上是固體導熱的微分方程：

對于固體間的熱傳導，其控制方程所包含的邊界條件類型有三種：一種為已知邊界上的溫度值；第二種為確定了邊界上的熱流密度；第三種為已知流體的溫度和固體物質將溫度散發到流體中的換熱系數。這幾類邊界條件是熱分析軟件在求解計算時需要設定的參數[8]

對于固液耦合的熱傳導，由于固體域和流體域的能量方程不同，固液耦合換熱是指固體域和流體域的能量方程在兩者接觸的區域熱流密度連續、溫度連續，流體同固體之間沒有速度滑移的現象。同時求解此類方程時，需明確氣流在進出口處邊界條件以及固體表面和外界環境之間傳熱的邊界條件。

2.2模塊熱功耗

機箱總有4個模塊，從上到下依次為模塊1、模塊2、模塊3以及模塊4，總功耗為244W，各模塊的熱功耗表如表1所示。

表1模塊熱耗分布表

2.3仿真建模

基于機箱結構三維模型，運用FloEFD軟件對整機進行建模，仿真環境溫度按設備工作的最高溫度 55^°C 來設定。所有發熱的元器件按照最大熱耗來計算，確保設備在最嚴格的條件下來驗證機箱熱設計方案的可行性。機箱與模塊散熱盒體的材料熱參數根據實際的鋁合金牌號分別設定，印制板材料為PCB常用材料FR4，發熱芯片與散熱盒體之間填充材料高導熱硅膠片的導熱系數為8W/m?K 。簡化刪除對整機散熱影響不大的螺紋孔、過小倒角或過小圓角等，以便于網格的劃分。

軸流風機的特性曲線相對而言比較平坦，一般情況推薦使用軸流風機工作點處于特性曲線右側區域。風機在這一區域工作時效率高、噪聲低。選用風機的特性曲線如圖5所示。

氣流特性曲線

圖5風機P特性曲線（額定電壓下）

機箱設計完成后，使用FloEFD軟件對機箱進行熱仿真，環境溫度為 55^° ，風扇的工作點0.0384m³/s ，風阻為 217.9Pa 。機箱內氣流流動軌跡見圖6，機箱剖面溫度分布如圖7所示，機箱整體溫度分布如圖8所示。

圖6機箱內氣流流動軌跡圖

圖7機箱剖面溫度分布圖

圖8機箱流場剖面圖

由圖9～圖13可知，功耗最大的模塊4由于采用冷板直貼底板方式，溫度最低，機箱內模塊1溫度最高，為 87.71^°C （模塊結構設計具有可優化空間），芯片許用最高工作溫度為 115^°C ，故從仿真結果來看，機箱結構滿足整機的散熱需求。

圖9機箱整體溫度分布圖

圖10模塊1溫度分布圖

圖11模塊2溫度分布圖

圖12模塊3溫度分布圖

圖13模塊4溫度分布圖3結語

該機箱順利通過了氣密性試驗、高溫試驗，已正式用于產品生產。依靠強迫風冷的散熱方式憑借一種簡單的結構形式有效地解決了密封機箱單模塊功耗大散熱難的問題，提高了設備在復雜工作環境下的可靠性，同時降低了維修費用。通過FloEFD軟件在產品設計階段對其進行熱仿真分析，合理優化設計機箱風道排布，使模塊工作在允許工作的溫度范圍內，從而減少設計、生產、再設計、再生產的周期，提高產品的一次成功率[9]，為同類密閉機箱的設計提供了一定的指導意義。

參考文獻：

[1]張杰，郭建平，張理達，等.基于Flothem的側壁風冷機箱結構熱仿真[J].機械研究與應用，2022，35（2） ：49.

[2]陳登瑞，姜篤山，趙文虎.某高熱密度密閉機箱設計[J].機箱電子工程，2013（3）：5.

[3]李兵強.某戶外射頻前端的結構設計[J].艦船電子對抗，2017（7）：170.

[4]吳子牛.計算流體力學基本原理[M].北京：科學出版社，2001：44.

[5]楊本洛.流體運動經典分析[M].北京：科學出版社，1999：23.

[6]陶文拴.計算傳熱學的近代進展[M].北京：科學出版社，2000：23.

[7]蘇銘德，黃素逸.計算流體力學基礎[M].北京：清華大學出版社，1999：43.

[8]王萌.高密度密閉電子設備熱設計及其結構優化[D].西安：西安電子科技大學，2007：9.

[9]朱恒義，關學剛.某機載密封風冷機箱散熱設計[J].艦船電子對抗，2019（2）：1202.

Design of a Vehicle-mounted Forced Air-cooled Chassis

NIE Jianbin，CONG longxing，ZHU Hengyi （51stResearch Institute ofCETC，Shanghai ，China）

ABSTRACTWith the progress of science and technology，the integration of electronic equipment is geting higher and higher，anditisconstantlydeveloping inthedirectionof high heatfluxandhigh power.Thispaper innovatively proposed a solution for a single-module high-power sealed chasis.Through fine structural designand thermal management design，the productcould stillmeet the stringent heat dissipationrequirements under high power operation.After 3D modeling，theheatdissipationstructureofthechassisanditsinternalmodulewasobtained，andthethermalsimulationanalysis was cariedoutbyFloefdsoftware.Throughdatacomparisonandphysicalhightemperature test，theheatdisipationrequirementsofnormaloperation were met，whichverifiedtherationalityofthechassis structuredesignandhadgood practical value and engineering application prospect.

KEYWORDS electronicequipment；thermal simulation； crate；FloEFDsoftware

（責任編輯 唐紅梅）