一種車載強(qiáng)迫風(fēng)冷密閉機(jī)箱的設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備，熱仿真，機(jī)箱，F(xiàn)loEFD軟件

中圖分類號：U463.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9545（2025）03-0014-（06）

DOI：10.19717/j.cnki. jjun.2025.03.003

車載電子設(shè)備長期工作在高溫、高海拔、高鹽霧、潮濕、淋雨等惡劣環(huán)境，為保證其在不同環(huán)境下均可正常工作，需對機(jī)箱采取防塵、防水的密封設(shè)計(jì)。機(jī)箱內(nèi)部大多是由功耗比較高的元件組成，元件在密封機(jī)箱內(nèi)部的散熱效果尤為重要。單個(gè)發(fā)熱器件的散熱效果直接影響設(shè)備性能及使用壽命[]，曾有研究表明，發(fā)熱器件溫度每升高 10% ，產(chǎn)品失效的概率將升高一個(gè)數(shù)量級，因此，機(jī)箱必須進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足復(fù)雜的使用環(huán)境的要求。

1整機(jī)設(shè)計(jì)

車載強(qiáng)迫風(fēng)冷密閉機(jī)箱由機(jī)箱箱體以及安裝在機(jī)箱內(nèi)部的VPX標(biāo)準(zhǔn)模塊組成。

1.1機(jī)箱箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱箱體由機(jī)架、前面板、后面板、左側(cè)板、右側(cè)板、上蓋板、下蓋板1和下蓋板2組成，其中機(jī)架釬焊成型（見圖1），由前框、后框、左框、右框、上頂板、下底板以及中間隔板焊接而成，經(jīng)二次加工后與其余零件進(jìn)行螺裝。

機(jī)架的左右框內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)多組標(biāo)準(zhǔn)模塊插槽，模塊通過兩側(cè)的楔形導(dǎo)軌固定于插槽中；機(jī)架的下底板外側(cè)以及左右框的外表面設(shè)有散熱翅片，提升了箱體散熱性能的同時(shí)又減輕了箱體重量。

圖1機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

1-前框2-中間隔板3-上頂板4-右框5-后框6-左框7-下底板

1.2機(jī)箱箱體散熱設(shè)計(jì)

機(jī)箱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱，風(fēng)扇固定于箱體的上蓋板處，冷風(fēng)從箱體底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，流經(jīng)左右兩側(cè)散熱翅片將熱量帶走，再由上蓋板處的風(fēng)機(jī)抽出，機(jī)箱內(nèi)氣流走向示意圖如圖2所示。在散熱的整個(gè)過程中，氣流只在機(jī)架外表面流通，不與內(nèi)部模塊直接接觸，使得機(jī)箱內(nèi)部同外部環(huán)境完全隔離，達(dá)到機(jī)箱的全密閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防水、防塵的要求。

機(jī)箱內(nèi)模塊散熱方式有兩種，對于發(fā)熱量不高的模塊1、模塊2、模塊3采取依靠模塊的楔形鎖緊機(jī)構(gòu)將熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱左右兩側(cè)板，然后由機(jī)箱側(cè)板氣流帶走熱量；發(fā)熱量較高的模塊4，除楔形鎖緊機(jī)構(gòu)散熱途徑外，模塊冷板還直接貼合機(jī)箱底板（擴(kuò)大了散熱接觸面積），熱量由冷板傳至底板，靠流經(jīng)底板處的氣流帶走熱量，散熱途徑示意如圖3。

圖2氣流走向示意圖

圖3散熱途徑示意圖

對于機(jī)箱而言，散熱的關(guān)鍵是散熱翅片的設(shè)計(jì)，翅片設(shè)計(jì)的優(yōu)劣以改變風(fēng)阻大小的方式來影響機(jī)箱實(shí)際的散熱效果。在結(jié)構(gòu)外形不變的情況下，減小散熱翅片厚度可以有效增加散熱面積，提升散熱能力，同時(shí)受加工工藝等因素影響，一般散熱翅片取 2mm 厚度。散熱翅片受結(jié)構(gòu)外形限制，長度取最大值 120mm 。至于散熱翅片間距b，可根據(jù)下式[2]得出最佳值為 6mm 。

式（1）中：L散熱翅片長度（單位： m ）； v -運(yùn)動粘度（單位： m²/s ）； β -流體膨脹系數(shù)（單位： 1/^°C ）； Δt -散熱翅片和外界環(huán)境溫度差（單位： C ）。

散熱翅片的高度H（單位： ?_m ）與散熱量 Φ （單位：W）關(guān)系如下

式（2）中： h- 散熱翅片和外界環(huán)境熱交換系數(shù)（單位：W/ m²/K ）； k- 散熱翅片的導(dǎo)熱系數(shù)（單位： W/m/k ）；

在其他條件不變的情況下，散熱翅片高度越高，散熱量越大，對于tanh ）函數(shù)而言，當(dāng)高度上升至一定程度時(shí)，其增量變化開始不明顯，工程上建議取值為0.7，進(jìn)而得出散熱翅片高度為 14mm 。

1.3機(jī)箱電磁兼容性設(shè)計(jì)

設(shè)備應(yīng)能有效地抵抗來自自然環(huán)境和周圍設(shè)備的電磁干擾，并使產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾抑制達(dá)到可允許的程度，保證設(shè)備在預(yù)定的電磁環(huán)境中能正常兼容工作。機(jī)箱框架為焊接結(jié)構(gòu)，本身已具備電連續(xù)性，通過對面板的處理，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的全屏蔽。機(jī)箱內(nèi)表面采用了導(dǎo)電氧化的鍍層，有效地保證機(jī)箱框架各部分之間的電連續(xù)性。焊接機(jī)架與前后面板貼合處分別設(shè)計(jì)導(dǎo)電圈安裝槽和密封圈安裝槽進(jìn)行雙密封，可消除機(jī)箱面板、底板等結(jié)合處的間隙，并保證機(jī)箱密封和屏蔽性能。膠條槽位置位于面板固定螺釘內(nèi)側(cè)，螺釘孔開孔時(shí)為盲孔，以實(shí)現(xiàn)更好的電連續(xù)性和屏蔽效果。

良好的接地是減少各電路相互串?dāng)_的一種重要方法[3]，機(jī)箱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，保證所有結(jié)構(gòu)件接觸良好，接觸面需有足夠的壓緊力、良好導(dǎo)電性。后面板配有接地柱，通過扁而粗的接地電纜與大地相連。

1.4機(jī)箱的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

環(huán)境適應(yīng)性是指機(jī)箱在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)其預(yù)定功能，性能不被破壞的能力，是機(jī)箱的重要質(zhì)量特性之一。為提高機(jī)箱的環(huán)境適應(yīng)性，特采取以下措施。

（1）機(jī)箱箱體材料選擇耐腐蝕性能優(yōu)良、力學(xué)性能良好、加工性能好且較好焊接性能的防銹鋁5A06;（2）機(jī)箱外部標(biāo)準(zhǔn)件、電連接器殼體等選用抗腐蝕的 06Cr₁₇Ni₁₄Mo₂ ：（3）導(dǎo)電圈、密封圈、連接器屏蔽墊等均選用耐腐蝕、性能穩(wěn)定的材料；（4）焊接完成后，整體先進(jìn)行導(dǎo)電氧化（AI/Ct?ocd） ）處理，然后在無導(dǎo)電要求的機(jī)箱外表面（散熱翅片處除外）噴涂具有極好化學(xué)惰性的氟碳漆。

1.5模塊設(shè)計(jì)

模塊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中貫徹通用化、系列化、組合化（模塊化）設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)主要包括模塊主體、起拔器、楔形鎖緊機(jī)構(gòu)和連接器等，如圖4所示。楔形鎖緊機(jī)構(gòu)減小了兩接觸面的接觸熱阻，有效地提高了熱傳導(dǎo)能力，并且具有良好的防松效果和較大夾持力，結(jié)合模塊的起拔器實(shí)現(xiàn)了模塊的快速插拔。

圖4模塊結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)分析，個(gè)別元器件發(fā)熱量大且分布比較集中時(shí)，模塊主體不能被認(rèn)為是恒溫板，為便于模塊內(nèi)部熱量的導(dǎo)出，模塊的散熱冷板需要一定的厚度。由于粗糙度的存在，發(fā)熱芯片與散熱冷板的凸臺接觸處會有一定的空氣間隙，這就產(chǎn)生了接觸熱阻，為便于熱量的導(dǎo)出，采用導(dǎo)熱硅膠墊對接觸面進(jìn)行填充，將空氣擠出接觸面，從而降低接觸熱阻的阻值。導(dǎo)熱硅膠墊在強(qiáng)化導(dǎo)熱的同時(shí)，也具有絕緣、粘結(jié)等特性。

此外，在PCB板布局時(shí)，將發(fā)熱芯片（如DSP、FPGA等）分散錯開排列，讓發(fā)熱量較大芯片避開模塊中間位置，盡量靠近模塊兩側(cè)導(dǎo)軌也是利于模塊熱量傳導(dǎo)的有效方式。

2散熱分析

2.1導(dǎo)熱方式

機(jī)箱散熱過程中導(dǎo)熱方式有三種，熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。

（1）熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是指熱量在溫度高的物體向度低的物體或者同一物體從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域傳遞的過程，機(jī)箱內(nèi)部的熱傳導(dǎo)主要包括發(fā)熱芯片與模塊主體、發(fā)熱芯片與印制板、印制板與模塊主體、模塊與機(jī)箱結(jié)構(gòu)件之間接觸形成的熱傳導(dǎo)。

式（3）： λ^- 導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W／（ Φ_m?ΦK?Φ ;A-傳熱截面積，單位： m² 溫度梯度矢量，單位： K/m ：

Φ^- 總熱流量（單位： W ）， q- 熱流密度（單位： ）。

（2）熱對流。熱對流是指空氣流經(jīng)機(jī)箱外表面時(shí)，因兩側(cè)溫度不同而發(fā)生熱量交換的過程熱對流可參照牛頓冷卻公式來進(jìn)行計(jì)算。

式（4）： h- 熱對流交換系數(shù)（單位：W（ m² ·K））；A-熱對流面積； Δt^- 溫度差值（單位：K）;

（3）熱輻射。熱輻射是指高溫物體通過電磁波輻射的形式把熱量向外散發(fā)的一種傳熱方式。輻射熱具有可以不依賴接觸而進(jìn)行能量傳遞的特性，故機(jī)箱內(nèi)部所有設(shè)備之間以及機(jī)箱自身均時(shí)刻對外輻射熱量。斯蒂芬-玻爾茲曼以公式的方式對物體輻射熱量的能力（輻射力）進(jìn)行表述。

E=εE_b=εσ_bT4

式（5）中： σ_b -黑體輻射系數(shù)（單位： m² ·K4 ）； ε -輻射黑度，是指實(shí)際物體的輻射力與相同溫度下黑體的輻射力的比值，是一個(gè)常數(shù)。

在機(jī)箱的整個(gè)傳熱過程中，涉及的傳熱很復(fù)雜，包含固體間的熱傳導(dǎo)，也包含冷空氣與機(jī)箱外側(cè)散熱翅片間的流固耦合散熱。流體參與的散熱過程遵循：質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒[4-7] 。

（1）質(zhì)量守恒方程。質(zhì)量守恒方程經(jīng)常以連續(xù)性方程的形式出現(xiàn)，指在一定體積區(qū)域內(nèi)，在特定的時(shí)間內(nèi)流人的流體質(zhì)量和流出的流體質(zhì)量相等。

式 （6）：ρ? -流體密度（單位： kg/Ωm³ ）； u_x-x 方向速度（單位： m/s ）； u_y-y 方向速度（單位：m/s ）； u_z-z 方向速度（單位： m/s ）。

（2）動量守恒方程。對于流場內(nèi)單位體積區(qū)域，區(qū)域內(nèi)所受外力的總和等于區(qū)域內(nèi)流體動量的增加率相等，把區(qū)域內(nèi)流體進(jìn)行微分處理，結(jié)合切應(yīng)力方程以及牛頓第二定律，可以得出該區(qū)域內(nèi)的動量守恒方程：

式（7）－（9）中： μ- 動力黏度（單位：m²/s ）； g_x-x 方向重力加速度值（單位： m/s² ）；g_y-y 方向重力加速度值（單位： m/s² ）； g_z-z 方向重力加速度值（單位： m/s² ）； P -流體的壓力（單位：N）。

（3）能量守恒方程。對于流場內(nèi)單位體積區(qū)域，區(qū)域內(nèi)流體的內(nèi)能在單位時(shí)間內(nèi)的變化量值，等于外部的作用力對這一區(qū)域內(nèi)流體所做的功加上流人這一區(qū)域內(nèi)的凈熱流量，結(jié)合熱力學(xué)第一定律得：

式（10）中：T-流體溫度（單位： C ）； a- 流體熱擴(kuò)散系數(shù)（ a=k/ρC_P ）， C_P -流體比熱（單位： J/kg?C^′ ）； S_T -單位體積流體的熱流量（單位： W/m³ ）。

對于固體而言，其內(nèi)部流量守恒方程，本質(zhì)上是固體導(dǎo)熱的微分方程：

對于固體間的熱傳導(dǎo)，其控制方程所包含的邊界條件類型有三種：一種為已知邊界上的溫度值；第二種為確定了邊界上的熱流密度；第三種為已知流體的溫度和固體物質(zhì)將溫度散發(fā)到流體中的換熱系數(shù)。這幾類邊界條件是熱分析軟件在求解計(jì)算時(shí)需要設(shè)定的參數(shù)[8]

對于固液耦合的熱傳導(dǎo)，由于固體域和流體域的能量方程不同，固液耦合換熱是指固體域和流體域的能量方程在兩者接觸的區(qū)域熱流密度連續(xù)、溫度連續(xù)，流體同固體之間沒有速度滑移的現(xiàn)象。同時(shí)求解此類方程時(shí)，需明確氣流在進(jìn)出口處邊界條件以及固體表面和外界環(huán)境之間傳熱的邊界條件。

2.2模塊熱功耗

機(jī)箱總有4個(gè)模塊，從上到下依次為模塊1、模塊2、模塊3以及模塊4，總功耗為244W，各模塊的熱功耗表如表1所示。

表1模塊熱耗分布表

2.3仿真建模

基于機(jī)箱結(jié)構(gòu)三維模型，運(yùn)用FloEFD軟件對整機(jī)進(jìn)行建模，仿真環(huán)境溫度按設(shè)備工作的最高溫度 55^°C 來設(shè)定。所有發(fā)熱的元器件按照最大熱耗來計(jì)算，確保設(shè)備在最嚴(yán)格的條件下來驗(yàn)證機(jī)箱熱設(shè)計(jì)方案的可行性。機(jī)箱與模塊散熱盒體的材料熱參數(shù)根據(jù)實(shí)際的鋁合金牌號分別設(shè)定，印制板材料為PCB常用材料FR4，發(fā)熱芯片與散熱盒體之間填充材料高導(dǎo)熱硅膠片的導(dǎo)熱系數(shù)為8W/m?K 。簡化刪除對整機(jī)散熱影響不大的螺紋孔、過小倒角或過小圓角等，以便于網(wǎng)格的劃分。

軸流風(fēng)機(jī)的特性曲線相對而言比較平坦，一般情況推薦使用軸流風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)處于特性曲線右側(cè)區(qū)域。風(fēng)機(jī)在這一區(qū)域工作時(shí)效率高、噪聲低。選用風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖5所示。

氣流特性曲線

圖5風(fēng)機(jī)P特性曲線（額定電壓下）

機(jī)箱設(shè)計(jì)完成后，使用FloEFD軟件對機(jī)箱進(jìn)行熱仿真，環(huán)境溫度為 55^° ，風(fēng)扇的工作點(diǎn)0.0384m³/s ，風(fēng)阻為 217.9Pa 。機(jī)箱內(nèi)氣流流動軌跡見圖6，機(jī)箱剖面溫度分布如圖7所示，機(jī)箱整體溫度分布如圖8所示。

圖6機(jī)箱內(nèi)氣流流動軌跡圖

圖7機(jī)箱剖面溫度分布圖

圖8機(jī)箱流場剖面圖

由圖9～圖13可知，功耗最大的模塊4由于采用冷板直貼底板方式，溫度最低，機(jī)箱內(nèi)模塊1溫度最高，為 87.71^°C （模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有可優(yōu)化空間），芯片許用最高工作溫度為 115^°C ，故從仿真結(jié)果來看，機(jī)箱結(jié)構(gòu)滿足整機(jī)的散熱需求。

圖9機(jī)箱整體溫度分布圖

圖10模塊1溫度分布圖

圖11模塊2溫度分布圖

圖12模塊3溫度分布圖

圖13模塊4溫度分布圖3結(jié)語

該機(jī)箱順利通過了氣密性試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)，已正式用于產(chǎn)品生產(chǎn)。依靠強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式憑借一種簡單的結(jié)構(gòu)形式有效地解決了密封機(jī)箱單模塊功耗大散熱難的問題，提高了設(shè)備在復(fù)雜工作環(huán)境下的可靠性，同時(shí)降低了維修費(fèi)用。通過FloEFD軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對其進(jìn)行熱仿真分析，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)箱風(fēng)道排布，使模塊工作在允許工作的溫度范圍內(nèi)，從而減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)、再生產(chǎn)的周期，提高產(chǎn)品的一次成功率[9]，為同類密閉機(jī)箱的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。

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Design of a Vehicle-mounted Forced Air-cooled Chassis

NIE Jianbin，CONG longxing，ZHU Hengyi （51stResearch Institute ofCETC，Shanghai ，China）

ABSTRACTWith the progress of science and technology，the integration of electronic equipment is geting higher and higher，anditisconstantlydeveloping inthedirectionof high heatfluxandhigh power.Thispaper innovatively proposed a solution for a single-module high-power sealed chasis.Through fine structural designand thermal management design，the productcould stillmeet the stringent heat dissipationrequirements under high power operation.After 3D modeling，theheatdissipationstructureofthechassisanditsinternalmodulewasobtained，andthethermalsimulationanalysis was cariedoutbyFloefdsoftware.Throughdatacomparisonandphysicalhightemperature test，theheatdisipationrequirementsofnormaloperation were met，whichverifiedtherationalityofthechassis structuredesignandhadgood practical value and engineering application prospect.

KEYWORDS electronicequipment；thermal simulation； crate；FloEFDsoftware

（責(zé)任編輯 唐紅梅）