通信与广播电视 ２００５年第ｌ期
小型化电子设备密封机箱的散热设计
吴耀刚 陈敏一 摘 要 本文简要介绍了小型化电子设备密封机箱的热设计，在集成化程度高的密封机 箱中合理的进行热设计以解决密封与散热这对矛盾，使传热达到效能最大化，从而 提高设备的可靠性。 关键词：密封机箱散热
Ｈｅａｔ Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅａｌｅｄ Ｓｍａｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｑ￣ｐｍｅｍ Ｃａｂｉｎｅｔ Ｗｕ Ｙａｏｇａｎｇ Ｃｈｅｎ Ｍｉｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａ ｂｒｉｅｆ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｅｌｅｃ． ｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｌ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅａｌ ｃａｂｉｎｅｔ ａｎｄ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅａｌｅｄ ｃａｂｉｎｅｔ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
一、引 言
对电子设备进行合理的热设计是促进电子设备向前发展的重要前提之一。近年来由于电 子技术的迅速发展，集成化程度高，单位体积所产生的功耗不断增加，而其有效的散热面积 却相应减少，这就使热设计尤为重要。小型化密封机箱由于其工作环境恶劣，设计指标及性 能要求高，同时要求体积小、重量轻，给散热设计带来一定的难度。密封机箱通常采用自然 散热，而密封与散热则是一对矛盾，在设计时必须同时考虑内部和外部的两种热设计方案， 通过合理的热设计，使其从内部向外部的传热达到最佳状态，从而保证电子设备正常工作。
二、传热的基本方式
如果在不同物体或物体的不同部分之间发生热量传递，则必然是由于它们之间存在温度 差。温度差是产生热流的动力。热传递有三种基本方式，即热传导、热对流、热辐射。在实 际应用中，常常是几种方式共同作用的结果。 ＋ 作者系中电科技集团第５５研究所高级工程师 ＋＋
作者系熊猫军通四部教授级高级工程师 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年第１期 通信与广播电视 ３５ ◆热传导简称导热，其机理是不同温度的物体直接接触， 之间能量交换的现象。固体中的热传递完全取决于导热。 导热基本公式为：Ｑ＝ＡＡＡＴ／８ 式中Ａ——垂直于导热方向的截面积Ｉｌｌ２ ６——平壁厚度ｍ 或物体内部不同温度的各部分
入——物体材料的导热系数Ｗ／（ｍ・Ｋ） △ ｒ一平壁两边的温度差Ｋ 由公式（１）可看出，单位时间内的导热量与导热系数、截面积和温度差成正比，而与导热 距离成反比。 ◆热对流是随着流体不同部分的相对位移，把热量从一处带到另一处的现象。实际上常 常会遇到导热与热对流两种基本方式同时出现，而形成一种较复杂的热传递过程，即对流换 热。 对流换热的计算公式为：Ｑ＝ （ 一 ）ｔｔ， （２） 式中Ａ——与流体接触的壁面面积ｍ Ｏｆ．——对流换热系数Ｗ／（ｍ ・Ｋ） Ｔｗ——壁面温度Ｋ Ｔ ——流体平均温度Ｋ 由（２）式中可看出，换热量与对流换热系数、也与温度差及换热面积成正比。 ◆热辐射与对流换热及导热有本质上的不同，它能把热量以光的速度穿过真空从一个物 体传给另一个物体，热辐射即物体转化本身的内能而产生的辐射现象。物体的温度愈高，辐 射的能力愈强。辐射能力还与物体性质和表面情况有关。 物体之间的辐射换热公式： Ｑ。２＝ ＣＯＳ｛（ｒｌ／ｌｏｏ） 一（ ／１ｏｏ）‘｝ （３） 式中８ ——黑度（ｍ ・Ｋ） ｓ——物体表面换热面积ｍ２ Ｔ．、Ｔ２——物体表面温度Ｋ 由（３）式中可知，增加电子设备辐射能力的主要措施是提高系统黑度，加大换热面积 及与环境的温差。 上面仅把热传递的基本方式作简略的介绍，工程中的实际情况往往是一个复杂的综合换 热过程。下面将对密封小型化（可背负、便携的野战设备）作具体的ｉ，－ｔ￣。
三、设计中的具体应用
首先我们分析密封电子设备自然散热的基本途径（如图１）。
维普资讯 http://www.cqvip.com ３６ 通信与广播电视 ２００５年第１期
总的放热＝机壳对流＋机壳辐射
ｆｆ¨ ｆ１
Ⅱ 一『１ ｌ二且 ＼
传导导 、幅射 幅射／
图Ｉ 设备内部的热量是通过对流、辐射、传导等传向机壳，再由机壳通过对流和辐射将热量 传至周围介质，从而达到散热目的。可以看出要提高散热效果，一方面是改善内部器件向机 壳的传热能力；另一方面是提高机壳向外界的热传递能力。针对其特点我们做了理论分析及 相应的一些设计试验。 １． 增强设备的辐射对流能力
图２ 例如要设计一种背负用的野战通信设备（图２），尺寸限制在￣＜４３０×３００×１００毫米， 重量≤ｌＯ 。由于密封机箱壳体不能开任何的散热孔洞，机箱壳体又是接受设备内部热量
， 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年第１期 通信与广播电视 ３７ 并将其散发出去的唯一通道，机箱壳体的热设计就显的格外重要。由前论述所知，任何一个 物体，只要它的表面温度大于周围的介质都会向外辐射能量，发生对流换热。机箱壳体的散 热主要是通过辐射与对流。而辐射、对流与表面积都有关。在机箱的外型设计中就将增大机 箱壳体散热表面积作为关键点来进行设计。 在机箱所有的外表面都设计了散热齿，意在增加表面积。而选取散热齿的尺寸则用等效 矩型直肋的设计思想进行。理论上短而粗的肋片效率高，但传热表面增加的不多，强化效果 不显著；肋片细而长时，传热表面增加得多，但其效率低，没有充分发挥肋片的作用。显 然，肋片的设计需要综合考虑，此时肋片表面积增加最多而肋片效率又不低，肋片强化效果 最好。设计的同时还需兼顾重量和体积、美观等因素进行。技术指标的限制，机箱的壁厚不 允许太厚，否则会使重量和尺寸增加太多，设计取值厚６毫米，用铝材制作。综合设计后肋 片高定在３—４毫米，齿距、齿厚可在２毫米左右，试验结果显示此设计无论从外观和散热 效果都比较理想。 ２． 充分利用传导散热 金属传导散热比对流和辐射散热容易控制热流途径，尤其是在安装密度较高的小型化电 子设备中，对流和辐射都有困难，传导就成了主要手段。由上述导热公式可知，要增强传 导。主要是设法减小热阻，也就是设法缩短热传导的距离，增大传热面积和选择导热系数大 的材料。设计中尽可能让功耗大的发热器件直接安装在机壳上，使散热路径最短、热阻最 小，避免热量在箱内循环。 仍然以上述背负用的野战通信设备为例，在箱内布局中、在印制板器件的排板过程中， 经过认真的分析、试验，找出热源，在排版时尽量直接贴紧机壳安装，如电源模块这一类 （见图３），对于一些因器件高度而无法与机箱壳体直接相联的，则通过加装过渡导热体来将 热量导出。
图３ 实际应用中，还有一类器件受自身焊接安装要求的限制，与机壳间隔了一层印制板，无 法与机箱壳体联接，我们则采取在器件底部印制板反面做成大面积金属地并开一定数量的金 属化孔，使热量通过金属化孔导到大面积金属地上，再通过加装导热件的方法将热量导出 （见图４）。这一项我们通过试验得出数据，可将器件上的温度降低近５Ｏ度，同时也减少了 热量在机箱内循环，大大提高了设备的可靠性。这种思路就是充分利用传导散热，让热量直
接导出机箱，如果只是在发热元件上装散热器，热量还会积存在箱内，引起机内的温升，造 维普资讯 http://www.cqvip.com ３８ 通信与广播电视 ２００５年第１期 成热敏元件工作不可靠，从而达不到可靠性的指标要求。
图４ ３． 合理布局力求对气流的阻力最小 利用对流散热的措施之一是从印制板元件布局上形成畅通的气流通道使气流与发热元件 进行充分的热交换；元件排列时，应将不发热和发热量小的元件排列在冷空气的上游，耐热 性差的元器件排列在最上游，其余元件可按它们的耐温的高低，以递增的顺序排列。在不影 响电性能的前题下，将发热量大的元件集中在一起，采取单独的散热措施，内部也可装小风 机加快对流或局部加装散热器。另一方面则在结构设计上采取适当的措施，以减小空气流动 时的阻力，以利于对流散热。各部件在布局时，应遵循力求对气流产生的阻力最小原则。设 计中可尽量避免采用大面积的底板、隔热板、屏蔽板等结构件，布局时尽量加大印制板与机 箱底之间的距离，防止阻碍自然对流的气流，从而造成较大的阻力。 上述背负用的野战通信设备布局中，除与机箱壳体直接相连的部件外，另两块印制板采 用叠放，板间用插座连接，减少连接电缆，便于气流的流动。由于整个机箱壳体是一个大的 热交换器，两块印制板一块靠近上盖板，其热量传递主要靠其散出；另一块靠近底板热量靠 底板往外散发。总之合理的布局可提高内部器件向机壳的传热能力。
四、结束语
上面对小型化密封机箱的热设计进行了简要分析，结合其技术特点及研制实例方案进行 了介绍，热设计目的就在于可大大提高设备可靠性指标。 参考文献
１． 电子设备结构设计原理．江苏科学技术出版社（１９８６．１） ２． 俞佐平编．《传热学》．山东工学院人民教育出版社（１９７９．９）
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