电子设备机箱散热设计

电子设备机箱散热设计

王英杰

【期刊名称】《《电子测试》》

【年(卷),期】2019(000)016

【总页数】3页(P5-6,31)

【关键词】电子设备; 机箱; 散热; 热设计

【作 者】王英杰

【作者单位】天津京信通信系统有限公司广州分公司 广东广州 510000

【正文语种】中 文

1 电子设备机箱散热概述

1.1 散热原理

热量传递过程中，按照热传递方式分，散热方式可以分为三种：传导、对流、辐射。

按照传热机理分，散热方式可以分为：自然散热、强制散热（强制风冷散热、强制水冷散热）、热电制冷等。

1.2 热设计原则

（1）热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计三者相互兼顾。

（2）热设计应遵循相应的国际、国家、行业和企业技术标准。

（3）热设计应满足产品可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。

（4）每个元器件的参数选择及安装方式应符合散热要求。

（5）在规定的使用期限内，冷却系统（如风扇）的故障率应低于元器件的故障率。

（6）热设计应考虑相应的设计余量，以避免在使用过程中因工作环境不同而引起的热耗及热阻的增加。

（7）热设计散热余量应适宜，尽量使用自然散热或低转速风扇散热等可靠性高的冷却方式。使用风扇散热时，要保证噪音指标符合要求。

（8）热设计应考虑产品经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积成本相对最小最低。

（9）采用风扇散热方式应有适当监控风扇的系统，且能便于维护。

（10）在其他性能参数相同的情况下，应优先选用热耗较小、结温Tj高、热阻θjc较小的功率器件。

1.3 热设计技术指标

热设计总的要求是通过对电子产品进行热分析、热设计与热测试，以建立起与设备可靠性要求及分配给每一个元器件的失效率相一致的环境温度控制系统，使电子元器件周围和电子元器件本身的温度不超过最大的指定范围。

（1）环境温度

环境温度一般包括设备的存储温度和使用温度，室内室外存储环境温度要在-40℃～+85℃之间，室内使用环境温度0℃～+45℃之间，室外使用环境温度-40℃～+55℃之间。

（2）系统温度控制

室内产品，高温情况下机箱内部空气的平均温度不大于65℃。

室外产品，高温情况下机箱内部空气的平均温度不大于75℃。

（3）可触及表面温度要求 对系统热设计，首先要保证可触及表面的温升满足安全性的要求。参见GB4943-2001《信息技术设备的安全》。最高允许温度如表1所示。

表1 可触及表面温度限值操作人员接触区的零部件 最高允许温度，℃金属 玻璃、瓷料和釉料 塑料和橡胶仅短时间被握持或被接触的把手、旋钮、提手等 60 70 85

正常使用时被连续握持的把手、旋钮、提手等 55 65 75可能会被接触到的设备外表面a） 70 80 95可能会被接触到的设备内表面b） 70 80 95 a）在正常使用时不可能被触及到，尺寸不超过50mm的设备外表面上的某一部位，允许温度为100℃。b）允许温升超过限值的零部件必须满足如下条件：——不可能无意识的接触到这样的零部件；——有警告标识的零部件，该标记指明此零部件是发热的。

2 冷却方式的选择

电子产品常见的散热方式是自然冷却和强制风冷散热，选择哪种散热方式，主要跟设备的体积功率密度、功率器件的热流密度有关，合理选择体积功率密度和温升合适的冷却方式。

通常而言，如果热流密度往往以0.08W/cm2为标准，如果小于该标准，往往采用自然冷却方式，但是如果大于该标准，且体积功率在0.18W/cm2以上，通常采用强迫风冷方式。

大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散热器时，就可以采用强迫空气冷却。按照不同的温升，冷却方法可以根据热流密度和温升要求进行选择，这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。

这里应该注意，在热流密度和体积功率密度探讨的过程中，不仅要假设热量在设备整体中的分布是均匀的，而且要能假设设备内的热量能够全部传导到设备的表面。

表2 不同的冷却方法换热系数和表面热流密度冷却方法换热系数 表面热流密度,W/cm2 W/(m2·K) (当换热表面和介质的温差为40℃)空气自然对流 6～16 0.024～0.064水自然对流 230～580 0.9～2.3空气强制对流(风冷) 25～150

0.1～0.6油强制对流(油冷) 60～5000 0.24～20水强制对流(水冷) 3500～11000

14～44水沸腾(蒸发冷却) 最大54000 最大1351)水蒸气膜状凝结 11000～26000 2.6～112)有机液蒸汽膜状凝结 1800～3800 0.38～1.82)1)当换热表面和介质的温差为25℃时；2)当换热表面和介质的温差为1～10℃时。

3 机箱的自然冷却设计

机箱自然冷却的实现主要是依靠机箱表面的辐射散热以及和空气的自然对对流实现的。通常而言，机柜或者机箱的表面就是自然对流的扩展表面，如果热源和机柜之间存在导热连接，将使得机柜表面的温度升高。机柜表面温度的升高，会导致电子设备周围的温度明显提高，使得相关工作人员的操作环境不舒适。所以，大多数的电子设备和操作手册中明确要求机柜表面的温度不能超过环境温度10℃。

3.1 自然冷却方式

3.1.1 机箱(柜）表面辐射散热

机箱(柜）表面辐射散热的影响因素有：机箱(柜）表面的大小、机箱(柜）表面温度、表面的粗糙度和机箱(柜）的材料、涂层以及颜色等。其可以用下式简答表示：

式中，Q1代表辐射散热量（W），ε表示的是散热表面的黑度，A代表散热表面的面积，σ是玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/m2*K4,T1和T2分别表示散热表面温度和环境温度。

3.1.2 机箱(柜)表面自然对流散热

如果机箱(柜)任意水平面的上尺寸小于600mm，其表面的自然对流散热可以通过以下公式进行简答计算：

式中，Q2表示表面自然对流散热量（W）；C表示的是系数，如果水平板的热面朝上系数为0.54，如果朝下，系数为0.27，如果是竖直板，则其两面的系数都为0.59；A为散热面的面积（m2）；tΔ表示的是换热表面和流体的温差（℃）；D代表的是尺寸，其中竖直板和竖圆柱用H来特征表示，其他的机箱(柜)的特征尺寸的计算为（长+宽）/2（m）。

4 机箱的强制风冷散热设计

通常情况下，一旦电子设备的热流密度超过了0.08W/cm2的界限，体积功率达到了0.18/cm3及以上，这时候单纯的自然冷却就难以完成设备的散热工作，此时就需要借助强迫风冷散热来辅助。常见的强迫风冷散热的通风机有轴流式通风机和离心式通风机。

4.1 风机的选择

风机在选择过程中除了要考虑风量、风压、效率以及空气流速等基本影响因素之外，还需要考虑系统以及风道的阻力特性、应用环境条件以及噪声要求等因素，当然噪声要求和体积、质量、风扇电源线也在其考虑范围之内。这些因素中，风量和风压是主要影响因素，因此轴流式风机适用于风量大、风压低、噪音小的设备，反之可以采用离心式风机。

强迫冷却所需的风量可以用下式进行简单计算，来作为风机选择的依据。

式中，Q表示风量（m3/s），W代表的是功耗（W），Cp代表空气定压比热，单位是J/(Kg*℃)，tΔ表示的是系统内温度和环境温度的温差（℃），p表示空气密度（Kg/m3）。

4.2 风机的串联和并联

在风量计算出来之后，如果所选的风机不能够达到设备散热需要的风量或者风压，可以通过串联或者并联风机的方式来进行通风机风量以及风压的调节。其中，在风量合适的情况下，要调节风机的风压，可以通过串联风机的方式来提高风机的风压。但是，通风机串联之后，其工作特性就发生了变化，会使得每台风机的风量稍有增加，而风压是在两台相同风压串联的情况下，风压总和是其两台风机的风压之和。

如果风压合适的情况下，要调节风量的大小，可以通过并联风机的方式来实现。同样，通风机并联之后，其工作特性就发生变化，会使得每台风机的风压稍有增加，而风量是在两台是其两台风机的风量之和。借助风道特性曲线来判断，如果风道特性曲线相对平坦，如果需要增大风量就可以采用并联风机的方式实现。而且，并联风机还具有气流路径短、阻力损失小、气流分布比较均匀的优点，不过并联风机之后，其效率会有所降低。

4.3 风机的安装位置

强迫冷却主要有吹风和抽风两种方式。通常情况下，吹风时机箱内的压力为正压，该方式能够很好的避免灰尘沿着机箱的缝隙进入机箱，风量也相对集中。吹风的方式往往具有风压大的特点，所以其在热量分布不均匀、需要专门风道、风阻大的设备中广泛使用。但是，吹风方式会将电机产生的热量也带入到机箱中，在一定程度上影响了机箱的散热效果。而且在非密闭设备中还会出现漏风的现象。

如果采用抽风的方式，机箱的内部是负压，能够很好的避免风机电机产生的热量进入到机箱当中，而且还能够从机箱的部分缝隙中抽入一些冷空气，一定程度上提高设备的冷却和降温效果。该方式风量大、风压下，在热耗分布分散的设备中使用较多。但是，抽风方式在从缝隙中吸入冷空气的过程中，还会吸入很多的灰尘。风机的安放位置一般应在气流的下游，这样气流速度分布较好，冷却效果也好。

4.4 风路设计

（1）如果发热分布均匀，元器件的分布同样也需要均匀，使得风能够均匀的通过每一个发热源，带走热量。

（2）如果分布不均匀，发热量大的区域元器件应稀疏排列，发热量小的区域布局应稍密些或加导流条，保证更多的风能够流向发热量大的区域。 （3）如果风扇同时冷却散热器及模块内其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分风量流入散热器。

（4）进风口结构设计原则，一方面尽量使其气流阻力小，另一方面防尘，二者综合考虑。

参考文献

【相关文献】

[1]徐丽媛.电子设备机箱散热结构设计[J].电子制作，2015(04)：217.

[2]王坚，徐国华.电子设备热分析及优化设计[J].广东工业大学学报 ，2003(03)：54-57+63.

[3]张奕，郭恩震.传热学[M].东南大学出版社，2004.