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摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，作为电子设备的关键热传导部件，机箱设计质量与电子设备的使用寿命息息相关，机箱设计是电子设备结构设计的关键环节，其是研发人员主要探究的部分。据此，本文主要对小型电子设备机箱的热设计进行了详细分析。
关键词：小型电子设备；机箱；热设计
引 言：近年来，随着电子设备的小型化，集成电路的高度集成，元器件、组件的热流密度不断提高。特别作为军用的电子设备，其工作环境恶劣，常置于高温、高湿、低气压、寒冷、霉菌、盐雾和电磁干扰环境之中，电子设备基本设计为全密闭机箱结构形式。电子设备在密闭的机箱内工作，热设计面临严峻挑战，尤其在高温环境下工作时，其内部热量如果不能及时散掉将直接影响处理单元正常工作。而当处理单元在低温环境下工作时，其内部元器件会在低于某温度时出现工作异常。因此需要设计一种在高温时散热性能好、在低温时具有加热控制功能的全密闭机箱，用于承载设备处理单元，以保证其正常工作。本文设计了一种全密闭机箱，在高温时通过强迫风冷方式将处理单元产生的热量散掉，在低温时通过加热装置及控制电路快速加热机箱并控制加热过程，保证了各处理单元的正常工作。
1 小型电子设备机箱的散热措施
1.1 合理布置元器件
对元器件和其之间的距离进行有效控制，能够促使空气流动有所增加，并提高对流传热和热传导水平，有助于控制电子设备温度。在电路板上，安装半导体器件时，需要把大功率晶体管，放置到气流入口的上游位置，在气流的下游出口位置，放置功率较小的集成电路，以此保持电子设备内部温度足够均衡，散热充分均匀。在进行元器件布置时，还需要测试变压器等等各种元件的性能，其中不耐热的元件应该安置在气流入口的上游位置，确保元件可以充分发挥作用，正常运转。尤其是要正确处理热敏感元件，即利用热屏蔽的方式方法，控制电子设备的温差。
1.2 科学安排印制电路板
在进行电子设备设计和安装的过程中，只存在一块印制电路板，其放置方向就不会存在特殊性，垂直放置或者水平放置都能够确保其正常运行的温度，而温度上升的范围是大体一致的。电子设备内部需要安装很多块印制电路板时，会利用并联配置的方式，严格控制印制电路板之间的间距，最小控制在30mm，只有这样，才能够确保电子设备内部充分具备较好的散热性。另外，可以在印制电路板和元器件的中间位置，安置导热条，以此优化多块印制电路板间的传导散热性能，有效控制导热条件和元件之间的热阻，保证电路板和元件间的距离相对宽敞，从而大大提高小型电子设备机箱的散热水平。
1.3 适当选取功率晶体管与散热器
晶体管在电子设备中发挥着重要作用，其会散发大量热量，这就需要积极采取应对措施，向周围传播热量，确保电子设备内的温度处于均衡水平。对于晶体管而言，其工作性能极易受温度影响，甚至还会引发焚烧局面。而半导体晶体管器件可以通过安装散热片的方式，严格控制温度上升的速度。
2 小型电子设备机箱的热设计
2.1 低温加热控制系统设计
由于处理单元印制板上的某些器件的工作温度低于某温度时器件不能工作，从而导致电子设备不能正常工作。而电子设备要求在低温下能快速启动并正常工作，所以必须设计低温加热控制系统以支持处理单元正常工作。低温加热控制系统由处理单元模块、加热薄膜、温度继电器和电源等组成。本文在处理单元冷板上设计安装加热薄膜及温度继电器。加热时利用冷板将热量均匀传递到处理单元各个部位，采用温度继电器感知并控制加热薄膜电路的通断。在某低温 T 启动时，加热薄膜迅速将处理单元模块加热到某一温度，当温度继电器检测到机箱内的温度高于 T1 时，温度继电器迅速切断加热薄膜电源，加热薄膜停止加热;当温度继电器检测到机箱内的温度又低于某温度 T2 时，温度继电器迅速闭合加热薄膜电源，加热薄膜又开始加热工作。如此循环，以保证处理单元处于能够正常工作的温度。
2.2 机箱结构设计
处理机箱设计为冷板夹层、强迫风冷散热结构形式。由左右侧板与前后框架整体钎焊而成为全密闭机箱。在机箱左右两边侧板设计了风道，风道内选用平直多孔型翅片与机箱侧板钎焊成一体，增大散热面积，提高散热效率。机箱后部设计有进风口，前部设计有出风口。机箱内部左、右侧壁上设计多对插槽，每对插槽上安装一冷板模块，处理单元分别安装于冷板上，通过锁紧装置固定于插槽内。模块的热量通过冷板及两端的楔形锁紧装置传导到风道翅片上，再通过强迫风冷对流换热将热量带走。在整个散热过程中，冷却空气只流经机箱侧板夹层风道，不与处理单元的电子元器件直接接触，使机箱内部与外界完全隔离，达到全密闭空间.
2.3 强迫空气冷却设计
2.3.1 风机选择
在选择风机的时候，需要对风量、风压、效率、气流、阻力特性、噪声、体积、重量等各种因素进行综合考虑，其中，最主要的是风量与风压。如果要求选择风压较低、风量比较大、噪声比较小的设备时，应该选择轴流式风机，相反的状态，则选择离心式风机。
2.3.2 风机串联与并联
风机风量与风压难以满足相关要求的时候，可以通过串联或者并联风机的方式来实现。在通风机风量可以满足要求的状态下，风压不足，则应利用两只风机串联的方式进行工作，以此加强工作压力。在通风机串联的时候，工作特性则会产生一定的变化。不同的通风机风量都会有所增加，但是在相同的风量下，两台通风机的风压加起来，风压就会有所增加。在通风机并联使用的时候，风压会相对较高，但是总风量是通风机风量的总和。在风道特性曲线相对平坦的时候，需适当增加风量，则利用并联系统。而并联系统具有其自身的独特优势，即气流路径较短，阻力损失比较小，气流分布均匀，但是效率则相对较差。
2.4 风路的科学合理设计
其一，如果机箱的发热分布比较均衡，而元器件之间保持的距离也应该大体相同，从而才能够促使风量均匀地穿过各个发热源。其二，如果机箱发热分布不够均匀，发热量比较大的区域，元器件排列时需要足够稀松，而对于发热量比较小的区域，在布置时，元器件则应该稍微密切一些，或者增加导流条，促使风能可以及时流到关键的发热器件中去。其三，如果风扇能够同时将散热器和模块内部的其他发热器件冷却，那么就应该在模块的内部利用阻流的方式，促使大多数风量可以流进散热器中去。其四，进风口的结构设计需要遵守一定的原则，即不仅要尽量降低气流阻力，确保处于最小状态，还应做到有效防尘，需要对这两原则进行充分考虑。
2.5 Flotherm 热仿真分析
Flotherm 采用成熟的流体动力学和传热学仿真技术，拥有大量专门针对电子工业开发的模型库，已广泛应用于电子设备的模拟仿真 。根据上述热设计计算结果，使用 Flotherm 热仿真分析软件对机箱及其内部处理单元模块、电子元器件的温度进行仿真，分析是否满足设计要求。已知机箱内总的热功耗、冷却风风量、入口温度和环境温度，对机箱模型进行简化并进行网格划分，经 Flotherm 软件仿真分析，得到机箱表面温度分布云图如图 1所示，某关键模块冷板表面温度分布云图如图 2所示。分析可知，机箱内关键器件及其他电子元器件壳温的最高温度都在指标要求范围内，电子设备在高温环境中能正常工作，说明该热设计方案合理。
图 1 机箱表面温度分布云图 图 2某关键模块冷板表面温度云图
结 语：
总而言之，就小型电子设备的设计而言，机箱热设计需要以机箱功能为依据，综合考虑并详细分析机箱，以此实现散热程度最佳的设计目标。伴随着科学技术的快速发展与材料科研不断深化，相关散热设计技术与工艺势必会进一步实现全面改进与优化，从而在很大程度提高电子设备机箱的散热水平，为确保小型电子设备的使用寿命奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]张 瑜. 密闭电子设备机箱的热设计试验研究[J].电子机械工程，2015，31（4）：5-8.
[2]徐丽媛. 电子设备机箱散热结构设计[J].电子制作，2015（4z）.
论文作者:经志明
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/22
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