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浅谈机柜散热风扇的选择与散热措施

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：杨四海

[导读] 摘要：机柜机箱中的设备含有大量的机械电子元件，这些电子元件在实际运行中会散发大量的热，如果散热风扇选择不当，就可能会导致机柜内部温度过高，影响电子元件的正常运行，严重还可能导致电子元件的损坏。

        廊坊英博电气有限公司河北省廊坊市开发区 065001
        摘要：机柜机箱中的设备含有大量的机械电子元件，这些电子元件在实际运行中会散发大量的热，如果散热风扇选择不当，就可能会导致机柜内部温度过高，影响电子元件的正常运行，严重还可能导致电子元件的损坏。因此，在对机柜结构进行设计的过程中必须要做好散热设计以及散热风扇的选择。
        关键词：机柜结构设计；散热风扇；温度控制
        机柜的设计中，散热设计是重要的环节。散热设计可以采用多种方式，需要根据机械电子设备的功能以及运行情况进行设计，保证机箱的散热良好，不会由于热量不能及时散出而影响电子设备的正常运转。在散热设计中，需要做到强迫通风散热，对各种元器件合理布置，对印制电路板科学安排，还要选择适用的散热风扇，保证散热良好，提高机械电子设备的运行效率。
        1 散热风扇的选择
        随着现代电子产品的快速发展以及应用，机柜成为了很多领域中都会运用到的一种重要设备。基于成本以及安装空间的考量，机柜在逐渐向着高容量的方向发展。高容量也就意味着在更小的空间内集成更多的电子设备，机柜内部的设备密度大大提升，这些设备的电气元器件在实际运行中会散发出大量的热量，风扇作为机柜重要的散热构件，其选择就显得越来越重要。
        实际上，机柜结构设计时，对于风扇的选择主要由容许的柜内电子设备温升——热流密度（散热功率/ 散热表面积）来进行决定。比如电子设备温升=30K，采用空气自然对流散热只能达到0.04 W/cm² 左右的热流密度。当热流密度高于0.04 W/cm²，就需要通过增加散热表面积或者选择运用强制空气对流来进行散热，也就是选择风扇来增加机柜内的空气流通率，快速降低机柜内部温度。利用风扇散热，热流密度可达到0.2 W/cm² 左右。当热流密度高于0.2 W/cm² 时，应进一步增大散热表面积或采用液体冷却的方式来实现温升不超过30K。
        机柜结构设计中，选择合适的风扇并进行合理的设计，能够更好的保障机柜内设备处于合适的运行温度内，避免由于温度升高所导致的设备异常和损坏状况的出现。
        2 保证机柜散热良好需要采取的措施
        2.1 在设计中要考虑到强迫通风散热问题
        采用强迫通风散热的方式可以使得电子设备内部的空气快速流动。因为采用的设施设备结构比较简单，消耗的成本也不是很高，操作非常方便，所以这种冷却方式得到广泛应用。整机鼓风机运转的过程中，不仅风压大，而且运行效率比较高，可以实现专项风道冷却。在强迫散热的过程中，还可以采用风孔散热的方法，在机箱的两侧安置通风孔，也可以安置在边缘位置或者底部，通风效果良好。开孔的过程中，要控制好机身的温差，要求通风孔之间要保持一定的距离，避免自然对流产生。
        2.2 在散热设计中对元器件合理布置
        要控制好元器件和其部件之间的距离，可以发挥增加空气流动的作用，不仅对流传热水平提高了，热传导的水平也有所提升，这样就可以对电子设备温度有效控制。将半导体器件安装在电路板上，在气流入口的上游安装时大功率晶体管，放置的集成电路功率要小一些，使得电子设备内部温度保持稳定，保证散热均匀。布置元器件的时候，要对变压器等等各种元件所具备的性能进行测试，如果有的元件不耐热，就需要在气流入口的上游安装好，保证元件的性能充分发挥出来。对于热敏感元件要采用正确的处理方式，将热屏蔽的方式充分利用起来是非常必要的，可以对电子设备的温差有效控制。

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        2.3 对印制电路板的安排要科学化
        机械电子设备的内部安装很多印制电路板的时候，通常会采用并联配置的方法，印制电路板之间的距离不能超过30毫米，确保电子设备的内部散热良好。将导热条安装在印制电路板和元器件之间，印制电路板间之间的散热性就能够得到优化，导热条件得到有效控制，元件之间的热阻效果良好。电路板与元件之间要保持宽敞的距离，机箱的散热水平就会有所提升。
        2.4 选择合适的晶体管和散热设备
        晶体管对环境温度非常敏感，其工作性能也会受到温度的影响，如果没有采取有效的措施，甚至会出现焚烧的现象，后果非常严重。在半导体晶体管器件上安装散热片，可以对温度严格控制。在使用晶体管的时候，要考虑到其性能的特殊性，如果晶体管处于长期运行的状态，处于功率最大化的运行状态下，就有可能超出允许的温度范围，必然会对晶体管的使用寿命造成影响，甚至将晶体管烧坏。将晶体管安装在散热器上，使得自然散热效率提高了，热交换水平也有所提高。
        3 机柜的散热设计措施
        3.1 对机柜进行强迫空气冷却设计
        在强迫空气冷却设计中，风机的风量以及风压都不能满足要求，就要调整风机的连接方式，或者是串联的方式，或者是并联的方式。风量满而风压不能满足要求的情况下，可以将两只风机串联起来，使得工作压力增强。将风机串联起来，其运行的特性就会有所变化，风机的风量增加了。在风量相同的情况下，两台通风机的风压叠加在一起，风压自然增强。将通风机并联，风压会高很多。如果风道特性的曲线比较平缓，就需要增加风量，采用并联系统效果会好一些。并联系统的优势在于，气流流经的路径比较短，因此可以减少阻力损失，此时气流均匀分布，但是效率不是很高。
        在机箱散热比较均衡的情况下，元器件之间要保持相同的距离，使得风量可以在每一个发热源都均匀穿过。机箱没有混匀散热的情况下，发热区域范围比较大，元器件之间的距离就要拉大；如果发热区域范围比较小，元器件的排列就要紧密一些，也可以采用增加导流条的方式，使得风能能够快速地流入到发热器件中。散热器和模块内部的热量增加，如果风扇可以很快发挥冷却的作用，就需要采用阻流的方式，在模块的内部充分利用起来，使得散热器中流进风量。
        3.2 对机柜进行自然冷却设计
        小型电子设备的机箱进行自然冷却设计的时候，可以采用表面辐射的方式，也可以采用空气自然对流交换的方式。将机柜的表面作为扩展面，在此实现自然对流，热源和机柜之间连接，发挥导热作用，机箱表面的温度提升，导致操作人员不能正常工作，所以，对机柜表面的温度要合理控制，不能超过10摄氏度。
        4 结束语
        综上所述，通过上面的研究可以明确，在设计机柜结构的时候，要重视机柜的散热设计以及风扇的选择。在具体的工作中，需要考虑到设备机柜所发挥的功能以及运行的环境，通过分析机箱获得相关的资料，保证风扇选择以及散热设计的合理性，使得机柜在运行的过程中可以达到最好的散热效果。当前科学技术发展速度不断加快，对于电子设备的研究成果越来越多，散热工艺得到改进，使得电子设备机柜有了更高的散热水平，而且延长了设备的使用寿命。
        参考文献：
        [1]杨坤，程志刚，王巍.一种机柜结构设计中的散热分析[J].科技视界，2019.
        [2]吴娟，沈凯，张振东.基于KULI的某车型散热器结构优化设计[J].农业装备与车辆工程，2019，057（011）：96-99.
        [3]刘文冬.密闭机箱风冷散热结构设计与分析[J].电子机械工程，2019（6）：29-33.