热设计在机箱结构设计中的应用
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摘 要：随着电子设备不断向小型化发展，对集成度和性能的要求越来越高，设备热流密度不断增加，散热问题已成为制约电子技术发展的主要因素之一。热设计在电子设备结构设计中愈发重要，本文以机箱为例，根据传热学基本原理，叙述了在机箱结构设计时，可以采取的一些散热措施，以增加机箱的散热能力，进而提高工作稳定性和可靠性。
关键词：热设计；结构设计；散热
引言
随着电子设备不断向小型化发展，对集成度和性能的要求越来越高，设备热流密度不断增加，散热问题已成为制约电子技术发展的主要因素之一。热设计在电子设备结构设计中越来越重要，机箱的热设计，就是根据传热学的基本理论，采取各种散热措施，使机箱内各级设备的工作温度不超过其极限温度，从而保证机箱在给定的热环境中可靠稳定的工作。
从散热的角度来说，机箱主要分为密闭型机箱和通风型机箱两种，本文就这两种机箱的散热结构设计进行分析。
1、冷却方式选择
要对机箱进行热设计，首先要从确定机箱的冷却方式开始。冷却方式的选择会直接影响机箱的装配设计、可靠性、重量与成本等。由于选择冷却方式时需要考虑的因素比较多，因此选择的方法也各不相同，目前使用比较多的方法是根据电子设备的热流密度（表面散热功率系数或体积发热功率系数）来确定。表面散热功率系数适用于设备外部散热形式的选择；体积发热功率系数适用于设备内部散热形式的选择[1]。一般的，热流密度小于0.08W/cm2，采用自然散热方式；热流密度大于0.08W/cm2，体积发热功率系数超过0.18W/cm2时，采取强迫通风散热[2]。
2、密闭机箱散热结构设计
基于使用环境的要求，比如室外恶劣环境或者电磁屏蔽性能要求高等，要求机箱必须为密闭型结构，由于内部空气和外界环境隔绝，所以只有依靠机箱外壳向外界自然散热。但在机箱内部仍可分成自然散热和内部强制通风散热两种形式；
2.1 内部自然散热
密闭机箱采取内部自然散热方式时，其内部发热元器件主要靠热传导的方式散热，所以应尽量使热源与机箱外壳紧密接触，保证热量能迅速传导到机箱，经机箱外壳向外界散热；
除了选用导热性能好的材料做机箱外壳，还可以将机箱内外表面全部设计成肋片式结构，尽量增加机箱外壳与外界空气的接触面积；将机箱机壳内外全部黑化，可以降低表面温度。
2.2 内部强迫通风散热
密闭机箱采取内部强迫通风散热时，需在机箱内部设置通风风机，通合理布局内部元器件及风机，形成一个循环流道，将各热源布局在流道上。保证风机进出风方向与流道方向一致，且进出风口是流道的唯一通道，条件允许的情况下，风机进出风口可设计有与机箱壳体连成一体的散热器，确保散热器的散热性能，在散热器对应位置的外部，设置冷却装置。
3、通风型机箱散热结构设计
在使用环境允许的情况下，尽量选择通风型机箱，上述密闭机箱散热结构设计注意事项均可适用于通风型机箱，通风型机箱又分为普通机箱及有电磁屏蔽性能要求的机箱。
3.1 普通通风型机箱散热设计
对普通通风型机箱的散热来说，在机箱外壳开通风孔以及安装通风风机进行强迫通风散热是非常有效的方法，其在结构设计时要注意：通风孔应尽可能对准发热元件；进、出风口要尽量远离且开在温差比较大的对应位置；进风孔高度要比出风孔高度底且出风孔面积要大于进风孔面积[3]。
选择强迫通风散热时，风机叶片一般装在气流下游，此时风道较长，气流速度分布可以得到改善；机箱內风道应尽量缩短且要避免急剧弯曲，选用表面光滑的材料，以降低风道阻力损失；风道尽量密封，有搭接台阶时，需要顺应气流流动方向；风道的形状可选用直锥形，易加工成型，且局部阻力小，不会产生负压；
3.2 有电磁屏蔽要求的机箱散热设计
通过对金属板屏蔽原理的一般性分析知道，一个较封闭严密的机箱很容易达到较高的屏蔽效果[4]，然而由于通风孔、线缆孔、机箱缝隙等原因会大大降低屏蔽效果，所以对有电磁屏蔽要求的机箱，在进行散热设计时，开通风孔后需进行处理，一般采用两种方法：其一是利用屏蔽盖板，第二就是采用蜂窝状盖板。其中屏蔽盖板相对便宜，但它的屏蔽效能有限，并且由于紊流还会影响机箱内部空气的流动。而蜂窝状盖板既可以提供较好的屏蔽效能，而且重量轻、空气阻力小，因此被普遍采用[5]。
结束语
本文以密闭型机箱及通风型机箱为例，对自然散热以及强迫通风散热在机箱结构设计中的应用进行了叙述，从机箱材料的选择、通风孔设置、风道的设置等方面进行了简要的总结，仅供参考。
参考文献
[1] 王健石、朱炳林 电子设备结构工程师手册 北京：化学工业出版社.2013.3
[2] 邱成悌、赵惇熠、蒋全兴 电子设备结构设计原理 东南大学出版社.2005
[3] 周旭 现代电子设备设计制造手册 北京：电子工业出版社.2008
[4] 区健昌. 电子设备的电磁兼容性设计理论与实践 [M]. 北京：电子工业出版社，2010.
[5] 程华.电磁屏蔽在电子机箱设计中的应用[J].甘肃科技.2015
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