对小型化电子设备密封机箱的散热设计探讨

对小型化电子设备密封机箱的散热设计探讨

发表时间：2019-06-18T17:13:49.317Z 来源：《科技研究》2019年4期作者：钟财

[导读] 在散热不良的情况下，电子设备的可靠性将会降低。基于这种认识，本文在分析小型化电子设备密封机箱散热问题的基础上，提出了机箱的散热设计方案，通过风冷散热方式保证设备能够在给定环境条件下工作。

（上海万捷汽车控制系统有限公司 201299）

摘要：在散热不良的情况下，电子设备的可靠性将会降低。基于这种认识，本文在分析小型化电子设备密封机箱散热问题的基础上，提出了机箱的散热设计方案，通过风冷散热方式保证设备能够在给定环境条件下工作。从仿真分析结果来看，设备运行期间密封机箱内温度不会超过最高允许温度，因此能够满足设备散热设计要求。

关键词：小型化电子设备；密封机箱；散热设计

引言：结合实践经验可知，55%的电子设备失效是由于电子元器件温度超出规定引起的。对于小型化电子设备来讲，采取传统壳体热传导方式难以解决密封机箱散热难的问题，还要实现科学的散热设计，以便使设备散热需求得到满足。因此，需要加强小型化电子设备密封机箱的散热设计研究，以便通过解决设备散热问题保证设备的稳定运行。

1小型化电子设备密封机箱的散热问题

在小型化电子设备中，密封机箱能够为电子设备提供密封环境，避免电子元器件受到水汽、灰尘等物质的侵蚀，并且能够为电子设备提供良好电磁环境，从而使设备得以在各种工况环境中使用[1]。但在密封机箱内，电子元器件工作过程中将会产生热量，采取自然散热方式，使电子元器件通过机箱外壳进行散热，将受到外壳热阻和辐射散热能力的影响。在电子元器件散热的过程中，需要通过金属介质完成热量传导，然后由传导介质与密封腔体接触，实现热量传导。而小型化电子设备密封机箱结构紧凑，具有较好密封性，发热密度较高，使得机箱散热效果受到了影响。在电子设备存在特殊需要的情况下，需要使内部电子设备与密封机箱壳体绝缘，将造成各元器件难以通过壳体实现热量传导。

2小型化电子设备密封机箱的散热设计

2.1密封机箱散热设计思路

在对密封机箱进行散热设计时，还要结合机箱结构确定热量集中位置，通过采取相应散热措施避免设备发生局部过热问题。某小型化电子设备密封机箱采用铝合金进行框架焊接，各部分焊接为一个整体，为达到三防要求未进行通风孔的开设，内部包含编码板、AP板、TRX板、业务板等元器件。按照设计要求，设备外形尺寸为230×240×80mm，总功耗为28.5W，工作环境温度在-40-60℃之间，最高允许温度不超过70℃，允许温升为10℃。从设备发热情况来看，主要发热模块包含功放、业务板、TRX板、AP板和编码板，功耗分别为15、10、7、2、3W，除AP板和编码版最高允许温度为70℃，其余模块最高允许温度为85℃。功耗最高的芯片包含CPU、DSP和两片FRGA，功率分别为3、2.5、1W，均位于业务板上，最高运行温度为85℃。考虑到TRX板位于几个主要发热芯片上方，将导致整机热量集中，所以还要采取导热沉淀、风冷散热等方式加强散热，以免设备内部温度过高。

2.2密封机箱散热设计方案

结合上述思路，可以提出机箱散热方案。一方面，可以在机箱底部进行功放安装，利用导热沉淀进行功放模块和机壳连接，以便通过降低热阻促使机箱散热效率得到提高。针对PCB板，还要在两侧铜箔上进行导热衬垫设置，加强与设备盖板的连接，确保热量能够通过机壳传递。针对主要发热芯片，考虑到业务板芯片位于电路板底面，还要结合高度进行不同厚度导热衬垫选择，其上放置散热板，对接触热阻进行减小，加强芯片热量传导。另一方面，针对热量集中区域需要完成风冷散热设计，即采用风扇吹风方式加强散热，使风扇正对业务板所在区域吹风。在电路板主要发热点位置，需要完成温度传感器的安装，通过设定程序使风扇在温度超出60℃时开启。在风扇作用下，机箱内将产生紊流，导致机箱换热系数增大。此外，针对机箱外壳，还应完成导电氧化处理，使机箱黑度得到提高，以便使机箱辐射散热能力得到增强。针对左右侧壁，需要完成赤坂散热器凹槽加工，使机箱散热面积得到增大。机箱内部还应采用插座代替电缆，加强内部空气流通，避免热量在内部循环。

2.3密封机箱风冷散热设计

实际在风冷散热设计上，需要在机箱内部完成轴流风机的设计，加强内部气体循环流动。为确保循环流道形成，还要实现发热部件均匀布局，使发热密度高的位置达到较好的气体流动性，使周围气体合理流动[2]。在风机布置过程中，还应使进风和出风方向与流道保持一致。实际在风机选用上，还要完成冷却风量计算。如式（1）所示，式中q指的是实际需风量，φ为散热量，△T为空气温升。从计算结果来看，冷却风量应达到0.14m3/min，按照1.5倍裕量进行计算，可以得到风机最大风量应达到0.21m3/m，因此可以选择型号SP501012L风机，其额定功率为0.84W，额定电压为12V，能够达到3500r/min转速，最大风压和风量分别为1.2mm/H2O和0.212m3/min。在风机运行的过程中，流道内气体能够得到驱动，确保热量集中区域能够实现热量扩散。通过与进、出口位置散热器进行热交换，可以使机箱内的热量被带走。

2.4密封机箱散热效果分析

按照设计方案进行计算，机箱需要通够向空间辐射热量和热对流方式散热，满足式（1），式中φT指的是机箱最大散热量，As、At和Ab分别为侧面、顶面和底部面积，Ar为参与热辐射的机箱表面积，为侧面、顶面和底部面积和，△T指的是温升值，ε和σ分别为平均发射率和黑体辐射常数，Tm则为机箱表面热力学温度和工作环境热力学温度的平均值。通过计算可得，设备散热量能够达到56.2W，比总功耗大，因此能够满足散热要求。

（1）

采用CFD技术完成仿真分析，可以得到机箱内热量集中区域温度最高能够达到74.3℃，即TRX板位置，功放温度为66.2℃，业务板温度为73.8℃，编码板和AP板最高分别能够达到68.3℃和65.7℃，并未超出最高允许温度。从实测结果来看，功放、业务板、编码板、AP板和