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(duì)集成度和性能的要求越來(lái)越高，設(shè)備熱流密度不斷增加，散熱問(wèn)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(jì)在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中愈發(fā)重要，本文以機(jī)箱為例，根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，敘述了在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采取的一些散熱措施，以增加機(jī)箱的散熱能力，進(jìn)而提高工作穩(wěn)定性和可靠性。

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

引言

隨著電子設(shè)備不斷向小型化發(fā)展，對(duì)集成度和性能的要求越來(lái)越高，設(shè)備熱流密度不斷增加，散熱問(wèn)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(jì)在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要，機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)，就是根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，采取各種散熱措施，使機(jī)箱內(nèi)各級(jí)設(shè)備的工作溫度不超過(guò)其極限溫度，從而保證機(jī)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(lái)說(shuō)，機(jī)箱主要分為密閉型機(jī)箱和通風(fēng)型機(jī)箱兩種，本文就這兩種機(jī)箱的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1、冷卻方式選擇

要對(duì)機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，首先要從確定機(jī)箱的冷卻方式開始。冷卻方式的選擇會(huì)直接影響機(jī)箱的裝配設(shè)計(jì)、可靠性、重量與成本等。由于選擇冷卻方式時(shí)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(lái)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(guò)0.18W/cm2時(shí)，采取強(qiáng)迫通風(fēng)散熱[2]。

2、密閉機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)箱外殼向外界自然散熱。但在機(jī)箱內(nèi)部仍可分成自然散熱和內(nèi)部強(qiáng)制通風(fēng)散熱兩種形式；

2.1 內(nèi)部自然散熱

密閉機(jī)箱采取內(nèi)部自然散熱方式時(shí)，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(jī)箱外殼緊密接觸，保證熱量能迅速傳導(dǎo)到機(jī)箱，經(jīng)機(jī)箱外殼向外界散熱；

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

2.2 內(nèi)部強(qiáng)迫通風(fēng)散熱

密閉機(jī)箱采取內(nèi)部強(qiáng)迫通風(fēng)散熱時(shí)，需在機(jī)箱內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)風(fēng)機(jī)，通合理布局內(nèi)部元器件及風(fēng)機(jī)，形成一個(gè)循環(huán)流道，將各熱源布局在流道上。保證風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)方向與流道方向一致，且進(jìn)出風(fēng)口是流道的唯一通道，條件允許的情況下，風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口可設(shè)計(jì)有與機(jī)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(duì)應(yīng)位置的外部，設(shè)置冷卻裝置。

3、通風(fēng)型機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

3.1 普通通風(fēng)型機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)

對(duì)普通通風(fēng)型機(jī)箱的散熱來(lái)說(shuō)，在機(jī)箱外殼開通風(fēng)孔以及安裝通風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)散熱是非常有效的方法，其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意：通風(fēng)孔應(yīng)盡可能對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱元件；進(jìn)、出風(fēng)口要盡量遠(yuǎn)離且開在溫差比較大的對(duì)應(yīng)位置；進(jìn)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(jìn)風(fēng)孔面積[3]。

選擇強(qiáng)迫通風(fēng)散熱時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片一般裝在氣流下游，此時(shí)風(fēng)道較長(zhǎng)，氣流速度分布可以得到改善；機(jī)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(tái)階時(shí)，需要順應(yīng)氣流流動(dòng)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(huì)產(chǎn)生負(fù)壓；

3.2 有電磁屏蔽要求的機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)金屬板屏蔽原理的一般性分析知道，一個(gè)較封閉嚴(yán)密的機(jī)箱很容易達(dá)到較高的屏蔽效果[4]，然而由于通風(fēng)孔、線纜孔、機(jī)箱縫隙等原因會(huì)大大降低屏蔽效果，所以對(duì)有電磁屏蔽要求的機(jī)箱，在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，開通風(fēng)孔后需進(jìn)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(duì)便宜，但它的屏蔽效能有限，并且由于紊流還會(huì)影響機(jī)箱內(nèi)部空氣的流動(dòng)。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(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

[1] 王健石、朱炳林 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)工程師手冊(cè) 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(jì)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(jì)制造手冊(cè) 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(jì)理論與實(shí)踐 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

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