基于solidworks的加固机箱散热结构的设计和优化

基于solidworks的加固机箱散热结构的设计和优化

杨振宇, ,宣雪莲

西安翔迅科技有限责任公司 陕西西安 710077

摘要：随着电子产品朝着小型化和集成化方向发展,电子产品内部电子元器件的集成度和功率日益提高，电子器件工作时会产生热量，特别是功率型器件会产生大量的热量，如果不及时将热量散发出去，将使设备过热，加快材料和器件的老化，导致设备损坏或寿命缩短，甚至发生火灾或爆炸。另外，器件的故障率与其温升呈指数关系，电子设备线路的性能则与温升成反比，长期高温工作会使产品的可靠性和寿命大大缩短。在美空军整体计划分析报告里指出，电子设备的失效55%是由温度原因引起的；在“10℃法则”明确指出：半导体器件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%；因此，为了提高产品的工作寿命和可靠性就必须严格有效地控制产品的工作温度，确保在器件的允许极限温度范围内工作；良好的电子设备散热结构成为提高设备可靠性的关键。

引言本文的研究对象为密闭电子设备,机箱内部完全密封,内部的热量主要靠传导传至机箱,再通过侧板外的散热鳍将热量散发到周围的环境中。本实例通过运用solidworks软件Flow Simulation模块对机箱散热问题进行仿真分析,并通过对比分析和优化改进,实现了元器件温度的降低,提升产品的可靠性。

该机箱要求外形尺寸：长270×宽124×高194mm；机箱采用铝合金铣削加工而成，内部安装有计算处理、辅助处理等共6个模块，预估其热功耗如图1所示：

根据预估105w热功耗和表面积计算，其表面热流密度=0.047 W/cm²，结合预估15℃左右的温升要求，根据热流密度和温升的关系，机箱需采用强迫风冷的散热方式。

本文从相同结构不同功耗、相同结构不同风量、相同功耗不同结构三个方面的不同情况进行仿真和对比分析，选择最优设计方案。

1. 相同结构不同功耗的分析

从不同功耗的对比情况，可以看出，当前风量和此模块布局时，功耗对散热的影响很大，可以从硬件选型和软件占用率等方面进行优化，从而降低模块热功耗，可使机箱温升明显降低。经软件优化后，该机箱热功耗降到105W。

2. 相同结构不同风量的分析

从不同风量对比情况中，可以看出，风量在初期从79提高到118时，增加39CFM，温升降低2.6℃，效果明显；再从118提高到223，增加105CFM，温升仅降低2.4℃，此时单纯地增加风量对散热改善效果有限；同时，结合实际的结构尺寸、成本和噪声等因素，综合进行选型，最终风量选择95CFM的风扇。

3. 相同功耗不同结构的分析

图4三种不同的风道和布局结构

左图方案一为常规布局，该布局结构简单，重量轻，且利于机箱内母板内部的走线的优点，因此，经常采用，该散热路径如下：各模块依次排开，分别采用锁紧条压紧导轨的方式将热量传导至机箱侧板，最后再通过侧板上的散热鳍与前端的风扇，以强制对流换热的方式进行散热。

中图方案二为贴壁导冷布局，在方案一的基础上，进行调整，将发热功率最大两个计算处理模块和辅助处理模块采用贴壁的形式，直接将热量导到侧板上，剩余热量不大的模块，仍采用原方式。

右图方案三为贯穿式风冷布局，如能将风扇安装到侧板则最优，但因协议尺寸限制，无法安装风扇，因此只能将左右侧板打通，右侧板设置风道，利用模块之间的缝隙，形成机箱内部风道，从左侧板吹出机箱外；让冷空气直接和模块的表面接触，进行强制散热。

图5三种不同的风道和布局的仿真结果

从相同功耗不同布局结构的仿真结果可以看出，因风道结构所限，相同热功耗情况下，温升反而升高1.3℃，同时会因为开孔而导致电磁屏蔽、盐雾、霉菌、IP防护等级等方面性能的降低。综上所述，方案二的贴壁导冷布局效果最佳。

仿真结果表明，在当前风量95CFM、热功耗105W下，机箱温升21℃，即55℃时，整机最高温度76℃，最高温度出现在计算处理模块的处理芯片上，该芯片工作频率高，因此温度相对较高；但始终低于该芯片手册中最高允许温度——85℃，保证9℃的设计余量，且通过实际使用经验表明，上述芯片能够满足使用要求，可以长期稳定工作。按照优化结果分析，可降低5.4℃温升，根据前文提到的“10℃法则”，可以看出通过优化模块布局最高可以将元器件的可靠性提高30%左右。

结束语

本文利用solidworks软件对机箱的不功耗、不同风量、不同布局情况进行仿真和分析，选择最优的组合方案，可使整机的最高温度降低到最高可运行温度的90%水平；提高了产品的可靠性，提升了产品的性能，同时优化散热系统，减小后续散热问题而带来的改进风险，降低研发风险和成本，本文所研究的内容具有一定的实用性,可以为其它电子设备的散热结构设计提供一定的经验参考。

参考文献

[1]苏世明 李伟，电子设备机箱散热仿真分析;光电技术应用;13年第28卷第三期

[2]李正睿;杨欣悦;吴静;基于Icepak的航天电子产品散热优化仿真分析[J];电子机械工程;19年2期

[3]张世光;基于solidworks功能测试设备的散热仿真及设计优化[J];电子测试;19年19期

作者简介

杨振宇（1987-），男，贵州榕江人，工程师，大学本科，主要从事电子产品结构设计。

宣雪莲（1987-），女，陕西西安人，工程师，大学本科，主要从事电子产品结构设计。