某单元模块横插式电子设备散热风道优化设计

该文对某单元模块横插式上架电子设备的散热性能问题进行研究与优化设计，重点解决布局中存在的散热风道不畅问题。通过对机箱结构的分析，发现原结构设计中PCB背板对空气流动路径的阻挡会导致单元模块散热性能下降。为此，提出一系列散热风道优化措施，以改善设备内部的通风散热效果，并通过Ansys Icepak软件对原设计与优化设计后的结构进行仿真计算，结果表明优化后的机箱结构在保持设备功能的同时，散热性能能够得到显著提升，满足高温环境工作要求。

随着电子设备复杂性的增加，如果各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去，就会造成热量的积聚，从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的极限，使得电子设备的可靠性大大降低。当前，电子设备的主要失效形式之一就是热失效。

随着电子行业的发展，电子设备呈现出了小型化、高集成度的特点，在开展电子设备机箱结构设计时，合理的布局和结构设计尤其重要。对于上架安装的标准19英寸（1英寸等于2.54cm）设 备 机 箱 ，主流的机箱结构形式为上盖可打开的单元模块竖插形式，但是当单元模块较少时，采用竖插的结构形式会造成较大空间的浪费，若采用横插的结构形式，机箱整体高度可以得到减小，内部空间可以得到有效地利用。

1 机箱结构设计

本文中的某电子设备采用高度为4U的标准19 英寸上架机箱结构，机箱整体结构为铝板螺装拼接而成，由前面板、后面板、内装骨架组 件 、左侧板 、右侧板 、上盖板与下盖板等组成 。考虑到上架使用时的便携性和维修性，单元模块从前面板以横插的方式安装到机箱内装骨架组件上，同时在内装骨架前部两侧设计有通风孔装饰面板，该设备采用强迫风冷的散热形式，风冷系统具有结构简单，技术成熟的特点[3]。由于设备实际使用时是装入机柜中，上、下盖板散热空间很小[4]，同时上架安装时需利用导轨或者托架，若在机箱上、下、左、右侧面设计通风孔，会对孔口造成遮挡，因此通风孔只能设计在前面板，后部安装散热风扇，整体散热采取前部进风后部出风的方式。机箱初步结构设计如图1所示。

内部发热单元模块中（滤波模块功耗较低，可不作考虑），除 电 源 模 块 紧 贴 机 箱左侧板壁面安装外，其余 通道模块1、通道模块2、监测模块、分析模块和存储模块均通过横插的形式安装到机箱内装骨架组件上，并且内装骨架组件上还预留了1个空槽位，可用于设备的功能和性能拓展。

2 散热风道设计分析

设备机箱由于所用导轨、托架及设备上、下位置的其他上装设备都会遮挡进、出口风道，其结构形式决定了风道设计时不能采用左、右或是上、下进出风的散热方式，只能采用前部进风后部出风的散热方式。

对于单元模块竖插式的机箱，其PCB背板通常设置在机箱底部，单元模块只要保证安装时其模块盒结构的窄面朝着前、后面板方向，即可保证形成良好的通风散热风道。

本文中单元模块为横插式，在初步的设计结构中，为 实现各单元模块的正常插拔，内部的PCB背板为平行于前、后面板的竖直安装形式，当空气从前面板进入机箱内部，由于PCB背板会对空气的流动造成阻挡，大 部 分 空 气 将会从两侧流到机箱后部，流经内装骨架组件上各单元模块外表面的很少，这样势必会对各单元模块的散热性能造成影响，其空气流动路径如图2所示；而紧贴机箱左侧板壁面安装的电源模块，除了能通过导热的方式将发热量向机箱外壳传递外，前面板进入的空气可良好的流经其外表面，最终将热量传递至散热风扇处散发出去 。针 对该横插式电子设备机箱的结构特性，风道结构要如何进行优化设计，使内装骨架组件上的各单元模块部位形成良好的通风路径，避免受到PCB背板及其他结构的阻碍，同时还要兼顾电源模块的散热，是提高该设备散热性能设计工作的重点及难点。

3 散热风道优化设计

基于以上分析，在开展风道优化设计时，需解决 以下难点：

其一，将内装骨架组件上各单元模块的空气流动路径由“前—后”的 形式优化为“ 左 — 右 ”的 形式，消除 PCB 背板对空气流动路径的阻碍。 

其二，风道优化设计的同时应确保空气能够良好 地流经电源模块，不能对其散热造成影响。

强迫风冷散热设计的重点在于合理地控制和分配气流，使其按照预定的路径通行[5]，本文风道优化设 计的具体措施如下。

其一，取消机箱前部左侧装饰面板上的通风孔，将右侧装饰面板改为框架结构，在实现通风的同时保证结构强度。 

其二，增大内装骨架组件两侧各单元模块部位通风口尺寸，预留槽位处安装挡风面板。 

其三，内装骨架组件右侧后部设计斜型挡风板结构，取消左侧后部通风板上的通风孔。 

通过以上结构优化措施，可以使空气从前面板进入后，由内装骨架组件右侧向左侧流经单元模块表 面，形成“左—右”形式的空气流动路径，继而流经电 源模块后，最终由散热风扇处流出 。风道优化后的机箱结构如图3所示，空气流动路径如图4所示。

4 仿真分析和结果分析 

4.1 功耗分布 

设备的主要热源有电源模块、通道模块1、通道 模块2、监测模块、分析模块和存储模块，功耗分布见表1

4.2 风扇选型 

电子设备强迫风冷散热所需风量可由以下经验公式计算得出

 式中：Q为所需风量（m3/s）；ρ为空气密度（kg/m3）；Cp 为空气的定压比热容（J/kg·℃）；W 为整机功耗（W），△t为空气的温升（℃）。

该设备的技术指标要求当环境温度为55℃时，单元模块最高温度不能超过85℃，因此 本文中△t取值为30℃。 本文中，通过计算可知所需风量Q=0.033m3/s= 70CFM(此值应该计算有误，正确值应该为22.3CFM?)。因为风阻的存在，风机是不可能工作在最大风量处的，所以风机的工作点风量是小于风机最大风 量的[6]，在进行风扇选型时，最大所需风量通常选择计 算值的2倍以上，本设备采用的是2个散热风扇，在进行风扇选型时，所选风扇最大风量为75CFM，最大静压为0.16Inch-H2 O。风扇特性曲线如图5所示。

4.3 仿真模型建立 

在系统级热分析中，可以用一个金属块或一个热源来模拟整个元件[7]，对设备原设计结构及散热风道 优化后的结构模型进行简化，利用Ansys Icepak软件进行仿真计算，其仿真模型如图6所示。

 4.4 条件设置及仿真计算 

在有限元热分析中，基本传热方式有热传导、热 对流和热辐射3种。本文中，热辐射为次要因素可不 予以考虑，主要考虑热传导和热对流。在Ansys Icepak 中，软件会自动计算对流热量，不需要考虑空气的对 流换热系数。设备机箱结构材料设置为Aluminum 6061-T6，其 导 热 系 数 为 167W/（m·K），环境温度设置 为55℃，空气流动类型设置为紊流。经过网格划分及 仿真计算得到结果如图7、图8所示。

4.5 仿真结果及分析 

根据仿真结果可以看出，原设计结构设备内部最 高温度约为95.3℃，已经超过了所要求的单元模块最 高工作温度，从流速分布图中可以看出，由于PCB背板对单元模块风道路径的遮挡，当空气进入设备内部 后，大部分空气从两侧直接进入机箱后部，并未有效流经单元模块，尽管在机箱内部形成了2处流动较为 紊乱的部位，但该部位在PCB背板后部，没有起到提高散热性能的作用。 通过风道优化设计后，设备内部最高温度约为 80.1 ℃，符合各单元模块的工作要求，最高温度较原结构下降了 15.2℃，散热性能提升幅度较为可观。从流 速分布图中可以看出，空气进入设备内部后，从设备 右侧向左侧流经单元模块，经过电源模块部位后从后部散热风扇处流出，符合了预期的优化设计思路。

5 结束语 

本文为单元模块横插式上架电子设备机箱的结构设计与散热优化提供了一种有效的思路和方法，通过对 机箱结构的分析，发现了单元模块横插式布局中存在散热风道不畅的问题，并针对性地提出了一系列优化措施，包括优化挡风结构、调整空气流动路径等，以改善设 备内部的通风散热效果。仿真计算结果表明，优化后的 机箱结构空气流动路径合理，显著降低了内部最高温 20-- 度，散热性能得到了明显提升，满足了电子设备对散热 可靠性的要求。同时，本文的研究成果也为类似电子设 备的轻量化和小型化设计提供了参考。未来的研究可以进一步结合实际测量数据进行验证，同时探索更多散热 优化的可能性，例如结合其他散热方式或优化结构参数 等，以进一步提升设备的散热性能和可靠性。

文章选自科技创新与应用，作者王 立，刘斌，康 鹏，徐兴盛，孙丰收，转载此文仅以知识传播为目的，如有版权问题请及时联系我们！