【热设计】电子机箱热设计完整指南：14个关键考虑因素（中）

在吹风布局中，进入的空气自然地形成射流，同时在射流的一侧会形成循环区域。然而，我们希望进入的空气能够均匀地流过下游的电子元件，尤其是强迫空气冷却插满PCB板的机箱时，需要均匀分配通过PCB板间隙的气流。可以在风扇下游放置导流板，以使气流更加均匀。但缺点在于，这会增加风扇所要克服的整个系统的压降。流阻越大，通过它的流量就越均匀。因此，需要平衡流动均匀性与压降增加产生的成本。Simcenter Flotherm和Simcenter Flotherm XT提供流阻和多孔板智能部件模型，来帮助完成这项任务。

图6 Simcenter Flotherm XT机箱系统模型中的流阻智能部件

另一个需要考虑的因素是，即使是轴流式风扇，也会产生非轴向流动。轴流式风扇大多工作在高流量和低压降的情况下，主要沿轴向排出空气。在较低的流量下，风扇出风口空气的径向和切向分量会增加。除非使用导流装置，这可以改变风扇下游的近场流动形态，从而影响局部冷却效果。

图7 同一风扇运行在三个不同工作点下的Simcenter Flotherm模型，显示了空气不同的扩散情况

无论使用吹风还是抽风的风扇布局，都需要使空气流入和流出系统。通风孔的尺寸会影响通过系统的空气流量的大小。

也许不太明显的是，通风孔尺寸也会影响系统内的流场，同时也要考虑与风扇尺寸的匹配。较大的通风孔会降低系统压降，增加体积流量。通风孔的大小也取决于系统内几何模型的流阻。它还将影响系统内空气进出通风孔的速度。在抽风系统中，空气高速进入系统，引起射流效应，可能在系统内形成流动循环区域，产生热区。

通风孔还可能引发EMC问题，这反过来又限制了通风板的最大孔径。考虑通风板的流阻是很有必要的。蜂窝状通风板提供了优异的屏蔽效果，由于使用的铝板非常薄，具有非常低的阻塞因子，开孔率可超过95％。然而，这些蜂窝单元的小直径和长深度，导致了惊人的压力损失，大致和常规的钻孔板相当。

图8常规钻孔面板（顶部）和蜂窝面板（底部）

风扇和通风口的位置将影响系统内的流场，因此应该同时优化两者的位置。

在抽风系统中，应该将抽风扇放置在机箱顶部附近，有助于确保它从系统中抽出最热的空气，因为浮力效应是始终存在的，否则将在机箱顶部形成一层热空气。相反，在吹风系统中，进气风扇应该靠近机箱底部，以确保冷空气被带入机箱底部，在浮力效应的帮助下流经发热的电子元件。

我们建议在所有仿真中激活浮力，因为这会增加结果的真实性，并且不会增加Simcenter软件的使用时间成本。对于自然对流系统来说，这显然是必要的，因为在这种布局中只有浮升力来驱动气流。即使在结构布局不能满足最佳风扇布局的情况下，这也是必不可少的。存在这样一种情况，放置在错误位置的风扇缓慢旋转，无意中平衡和抵消了自然对流，导致内部静止的空气和产生过高的温度。

小心处理通风口的开孔位置，以防排出的热空气被重新吸入系统。如果有怀疑的话，可以将求解模型扩展到包含这部分空气流动的局部环境。对于比较高的垂直结构模型，也建议这样做，因为这样可以计算与机箱壁相邻的外部空气的垂直温度梯度。

经常被忽视的一点是，调整机箱内PCB板的位置。在机箱系统中，很明显可以调整PCB板间的距离，但在其他系统中，这可能不太明显。通过调整PCB的位置，可以改变通过PCB正面和背面的空气量。做一点微小的改变，可以在不增加成本的情况下提高冷却性能，例如，提高电路板背面的散热。这可能是由PCB板的前端与风扇或通风口周围的近场气流的相互作用引起的。

图9. Simcenter Flotherm XT模型的路由器中由浮力引起的气流

开放式的自然对流系统

从电视机顶盒到机箱系统，甚至包括过去的电信机柜，都是自然对流系统。在自然对流系统中，所有的对流冷却都是由于系统内部空气变热，因此变得比周围空气更轻而产生的浮升力引起的。

平滑均匀的空气流动是良好设计的关键，因此需要仔细考虑通风板的详细设计，以使得压力损失达到最小，同时保持电磁兼容和电磁干扰（EMC/EMI）等级。

设计进气通风板时，通常要考虑空气如何逼近通风口，因此需要将计算域扩展到机箱之外，包括设备的安装平面。

图10.在Simcenter Flotherm XT中气流分布，展示了自然通风、壁挂式电子系统的通风孔布局优化结果

此外，对于自然对流冷却系统，位置和开孔面积尤为重要。进气口应放置在低处，排气口应放置在高处，进出风口的开孔面积应大致相同且位于系统的气流路径上。

封闭/密封系统

在小型密封系统中，机箱大小是影响冷却性能的主要参数。在较大的封闭系统中，可以使用内部风扇产生循环空气，例如使其通过内部换热器。考虑在封闭系统中使用风扇时，要注意风扇自身的电源供应也会增加系统热量，因此提升的冷却性能需要涵盖风扇自身产生热的冷却需求。