2024年3月25日发(作者：殷宜民)
小型化军用 电子机箱热设计结构探究
摘要：随着电子元器件小型化、微型化以及相应集成技术的不断发展，电子
器件的组装密度在不断升高，电子机箱的热流密度也随之增加；由于电子元器件
的故障率与元器件温度呈指数增长的关系。而电子设备热控制的目的就是为电器
件提供良好的热环境，并在规定的热环境下工作稳定可靠，因此热设计基础是电
子机箱设备可靠性的重要保障。据此，本文主要对小型化电子机箱在结构设计中
应注意的散热问题进行详细分析，降低由元器件温度过高导致电子设备功能损坏
的情况，提高产品的可靠性。
关键词：小型化电子机箱；热设计；结构设计
引言
近年来，随着电子信息化的发展，组成电子设备的组件和元器件向超大规模
的集成电路方向发展，热流密度不断增加。尤其作为军用电子机箱，工作环境恶
劣，有湿热、霉菌、盐雾、温度、抗电磁兼容等要求，因此在设计电子机箱时需
保证箱体的密闭性，这给结构设计者带来极大的考验，本文主要利用传热学基础
提高小型化电子机箱散热效率。
1.传热学基础
电子机箱热设计主要理论基础是传热学，传热学主要研究热量的传递形式、
传热机理以及传热计算方法等。传热的基本形式包括导热、对流、辐射三种。在
电子设备中，这三种方式都有发生。
1. 1导热
在受热不均匀的物体中，热量从高温处通过物体的分子、原子及自由电子逐
渐传到低温处的现象，称为热传导，如固体内部的热量传递和不同固体之间的通
过接触面的热传递。传导在固体、气体、液体之间均能产生。电子机箱内的发热
元器件主要由灌封胶、铝基板、导热胶、散热器、热管等进行热传导。热传导的
基本计算公式满足傅立叶定律，单位时间热传导的热量与垂直热流的截面积和温
度梯度成正比，同时也与材料的导热系数有关，导热系数越大，材料的导热性能
越好，因为铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工。
1. 2对流
在固体与气体或液体中，热量依靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传
递方式称为对流。根据流动的起因不同，对流换热可分为自然对流和强制对流换
热两种，前者是自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，产生的浮生力作为
动力，后者是有风扇或其它外部动力源形成。电子机箱内主要通过自然对流、强
迫风冷以及液冷的方式进行散热设计。
1. 3辐射
高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方
式叫做辐射。它属于一种电磁波传递，不依赖介质的传播。注意的是在自然对流
时一定要考虑辐射的作用，元器件的合理布局尤为重要。在强迫对流时，可忽略
辐射作用产生的影响。
2.电子机箱散热形式
2. 1自然冷却
如何合理选择发热元器件的散热方式，一种是依据温升和热流密度关系图确
定冷却方法。自然对流主要用于低功耗低热流密度器件散热，能够采用自然冷却
散热的满足以下前提，单位面积散热量和温升设计必须完全处于自然冷却范围内；
热耗几乎均匀分布在散热箱体或散热表面上；具有充分的自然冷却散热空间。另
一种利用对流换热公式得到发热元器件自然对流冷却的热耗，对比元器件的实际
热耗判断能否满足自然冷却的条件。
2. 2 风冷散热
当不满足自然冷却的条件时，一般采用风冷散热，相比自然对流散热方式，
强迫风冷有以下优点，散热效率高；整机散热体积小，重量轻；热量能够快速排
出，避免对机箱其它器件造成影响；不易受外界环境影响。同时也带来了相关问
题，电子设备需增加风扇作为动力部件，需在设计时考虑维护和寿命问题；整体
机箱的防护等级取决于风扇的防护等级；设计时需考虑噪音方面的影响因素。
3.常用风机类型及特点
3. 1风机选型
常见的风机类型有轴流风机、前向离心风机、后向离心风机等，轴流风机风
量大但风压小，前向离心风机风压大但风量偏小和效率低，后向离心风机风量和
风压大效率高；对于风机选型不仅要考虑风机的散热性能外，还需要结合实际考
虑风机的结构尺寸、功率、噪音、IP等级、盐雾等级、控制方式、使用寿命、工
作温度范围、价格以及供货周期等因素。一般情况下直径越大风量越大，厚度越
大风压越大；通过了解发热器件的热耗损、空气密度、定压比热容热容值以及出
风与进风的温差利用计算公式可预估系统需风量；此外在设计过程中风扇的安装
应符合要求；另外结合风扇的特性曲线与系统阻力曲线来预估风扇的最佳工作区，
从而达到最高工作效率。
3. 2 风机安装形式
对于风机的安装一般包括吹风和抽风的两种散热形式，对比两种散热形式的
特点，吹风特点如下：（1)通过在系统内形成非稳态流场增强局部散热能力；
（2)送风不均匀；（3)风机处在流体温度较低一侧，相比于抽风能够延长风机使
用寿命；（4)增加系统压力，有效阻止灰尘及污染由缝隙或裂痕进入系统；（5)
吹风要求风机与散热器的距离大于抽风要求的距离。抽风特点如下：（1)减少系
统内回流影响；（2)系统流体相对均匀，适合热源均匀分布的场合；（3)能够获
得更好的流体控制，有利降低气动噪音；（4)风机处在流体温度较高一侧，风机
使用寿命降低；（5)机柜内形成负压，缝隙中灰尘容易进入机柜。我们根据机箱
的内部结构形式以及安装环境等具体要求选取合适的散热方式。当所选风机的风
量或风压不能满足要求时，可考虑风机串联或者并联；风机串联工作时每台风机
的风量一样，风压为两台风机所产生的风压之和；风机并联工作时每台风机的风
压不变，风量为两台风机所产生的风里之和；注意不要串联或并联放置两个不同
的风机。
3. 3 风机噪音
风机噪音一般包含本体噪音、气动噪音和振动噪音。风机本体噪音是按照风
机规格书中标定的噪音值一般在以下几个条件下测试获得：（1)在无障碍的自由
空气下工作；（2)风机采用多个细绳悬吊测试，避免与固定面板产生振动噪音；
（3)背景噪音16dB的噪音室中测试；（4)声级计放置在距离风机进风口1米处
测试声压级；（5)标准转速的运行工况。气动噪音是由于空气在风道中不规则运
动以及空气与风道、散热器碰撞产生的噪音，因此采用抽风，获得较均匀的流场
对降低噪音有影响，风道拐弯处采用圆弧过度减少空气与风道碰撞也能一定程度
降低噪音气动。振动噪音是风机与固定面板之间产生振动以及空气运动造成的风
道振动而产生的噪音。风机和固定面板之间采用柔性弹垫过渡，减轻振动，能够
降低噪音。风道固定牢固采用刚性较大、厚度较厚的材质，一定程度上有利于降
低噪音。当风机并联或串联使用时，可利用噪音叠加计算公式得到叠加噪音，判
断是否满足整体环境噪声要求。
4.散热器及散热基本原则
4. 1 散热器选型
电子机箱常用散热器有压铸散热器、铝挤散热器、铲齿散热器、插齿散热器
等。根据不同材料的导热率不同选用适合的材料，一般铝型材及机加工件可选用
锻铝6061或6063型铝合金；铲齿散热器采用1060型铝合金系列：根据电子设
备工作环境的不同，散热器的表面处理方式也不同，（1)在室内且无盐雾环境下，
只需对散热器表面进行清洗去油污处理；（2)有高盐雾、高湿热要求的环境一般
对散热器进行阳极氧化或导电氧化防护处理；（3)散热器基板工作表面一般采用
铣加工不用拉丝处理；散热器基板如果过宽，需要铣刀多次加工才能处理的，可
以采用拉丝工艺；（4)热管散热器或者铜铝结合散热器需要进行镀镍处理，防止
接触面产生电化学腐蚀；（5)对于自然冷却散热器，其表面通常采用黑色阳极氧
化处理，强化辐射换热，但暴露于强光下的散热器建议采用本色或者淡颜色阳极
氧化，以减少对太阳辐射的吸收。为增加微电子元件与金属散热器接触面的面积，
同时降低附加的接触热阻，通常在器件与散热器接触面之间增加接触压力和添加
界面材料填充界面间的空气，在涉及热传导时，一定要考虑接触热阻的影响，根
据实际情况选择合适的界面材料，如导热垫片、导热硅脂、导热胶等。
4. 2 散热器设计要求
电子机箱结构设计过程中，所有发热元器件都分布在散热器表面。因此对加
工散热器有较高的技术要求，（1)铝铣散热器截面尺寸遵循GB/T14846-2008;(2)
散热器的机加工尺寸公差按GB/T1804-m的标准，形位公差按GB/T1184-K的标准；
（3)安装孔建议采用M4及以上螺钉，螺孔入口处需倒角0. 5x45°,螺纹的有效
的深度建议不小于8mm;(4)散热器基板上的电器件螺钉扭力应该统一；（5)散热
器在基板侧面受剪切力或受力较大的地方需要增加钢丝螺套防护。（6)散热器和
功率器件接触的安装平面应该光滑平整，基板与功率器件的交界面粗糙度推荐
Ra1. 6,其他表面Ra3. 2;(7)两个或者多个散热器焊接成一个更宽的散热器时，
焊缝位置尽量避开功率器件安装面；（8)在对散热器底面进行切削加工时，铣刀
交界面尽量避开功率器件安装面；（9)在热管散热器中，热管与散热器凹槽之间
的缝隙需要用焊料填满。
4. 3 发热器件分布原则
发热器件相对散热器的位置的基本原则，发热器件长边应与散热片冷风流动
方向垂直布置，以利于功率器件的均匀散热；对于多发热器件放置在一个散热器
上，尽里并行放置，该种放置方式避免了前一个发热器件的热里累加到后一个发
热器件；由于热管的导热性能与其放置方向有很大关系，散热器底板内热管尽里
避免负角度放置，即热端在上冷端在下；发热器件在散热器宽度方向上尽量对中
布置，在通风方向上安装在靠近进风口的位置，出风口方向如果空间允许，散热
器留出50mm及以上的长度方便往后热里有足够的面积散热。
4. 4 风道设计原则
风道设计注意事项，首先保证风道的密闭性；尽里短而直，弯头要少，以减
小风道的阻力损失；避免风道急剧弯曲，必须采用弯头时，尽里加大折弯半径并
增加导流板；避免风道骤然扩张或收缩，截面形状尽可能与被冷却元件形状相一
致；在结构尺寸不受限制时，增大风道截面减少压力损失，降低风，机噪声；风
道壁面应光滑，减少气流的摩擦阻力；尽里使风道密封，对抽风，来说更加重要；
进出风口位置分开，避免回流发生；并联风道可通过改变风道内阻力的方法来分
配具体风道内的风里；当风道进口需要装滤尘网格时，要在滤尘效果和流阻之间
予权衡；尽里避免出风口对着人员操作界面。
结语
综上所述，热设计基本理论是一门综合学科，其中导热系统复杂，不确定因
素多，理论值与实际值存在差距。而军品科研周期短任务重，给研发设计人员提
出更高的要求，我们必须充分利用理论结合仿真并行试验的方式，在设计完成后，
实际热测量和热分析，不断优化热设计，积累相关经验，为提高军用电子设备的
可靠性提供有力保障。
参考文献
［1]杨世铭．传热学［M]北京：高等教育出版社，1992. 9
［2]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴电子设备结构设计原理［M].南京：东南大学
出版社，2001: 6-10.
2024年3月25日发(作者：殷宜民)
小型化军用 电子机箱热设计结构探究
摘要：随着电子元器件小型化、微型化以及相应集成技术的不断发展，电子
器件的组装密度在不断升高，电子机箱的热流密度也随之增加；由于电子元器件
的故障率与元器件温度呈指数增长的关系。而电子设备热控制的目的就是为电器
件提供良好的热环境，并在规定的热环境下工作稳定可靠，因此热设计基础是电
子机箱设备可靠性的重要保障。据此，本文主要对小型化电子机箱在结构设计中
应注意的散热问题进行详细分析，降低由元器件温度过高导致电子设备功能损坏
的情况，提高产品的可靠性。
关键词：小型化电子机箱；热设计；结构设计
引言
近年来，随着电子信息化的发展，组成电子设备的组件和元器件向超大规模
的集成电路方向发展，热流密度不断增加。尤其作为军用电子机箱，工作环境恶
劣，有湿热、霉菌、盐雾、温度、抗电磁兼容等要求，因此在设计电子机箱时需
保证箱体的密闭性，这给结构设计者带来极大的考验，本文主要利用传热学基础
提高小型化电子机箱散热效率。
1.传热学基础
电子机箱热设计主要理论基础是传热学，传热学主要研究热量的传递形式、
传热机理以及传热计算方法等。传热的基本形式包括导热、对流、辐射三种。在
电子设备中，这三种方式都有发生。
1. 1导热
在受热不均匀的物体中，热量从高温处通过物体的分子、原子及自由电子逐
渐传到低温处的现象，称为热传导，如固体内部的热量传递和不同固体之间的通
过接触面的热传递。传导在固体、气体、液体之间均能产生。电子机箱内的发热
元器件主要由灌封胶、铝基板、导热胶、散热器、热管等进行热传导。热传导的
基本计算公式满足傅立叶定律，单位时间热传导的热量与垂直热流的截面积和温
度梯度成正比，同时也与材料的导热系数有关，导热系数越大，材料的导热性能
越好，因为铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工。
1. 2对流
在固体与气体或液体中，热量依靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传
递方式称为对流。根据流动的起因不同，对流换热可分为自然对流和强制对流换
热两种，前者是自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，产生的浮生力作为
动力，后者是有风扇或其它外部动力源形成。电子机箱内主要通过自然对流、强
迫风冷以及液冷的方式进行散热设计。
1. 3辐射
高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方
式叫做辐射。它属于一种电磁波传递，不依赖介质的传播。注意的是在自然对流
时一定要考虑辐射的作用，元器件的合理布局尤为重要。在强迫对流时，可忽略
辐射作用产生的影响。
2.电子机箱散热形式
2. 1自然冷却
如何合理选择发热元器件的散热方式，一种是依据温升和热流密度关系图确
定冷却方法。自然对流主要用于低功耗低热流密度器件散热，能够采用自然冷却
散热的满足以下前提，单位面积散热量和温升设计必须完全处于自然冷却范围内；
热耗几乎均匀分布在散热箱体或散热表面上；具有充分的自然冷却散热空间。另
一种利用对流换热公式得到发热元器件自然对流冷却的热耗，对比元器件的实际
热耗判断能否满足自然冷却的条件。
2. 2 风冷散热
当不满足自然冷却的条件时，一般采用风冷散热，相比自然对流散热方式，
强迫风冷有以下优点，散热效率高；整机散热体积小，重量轻；热量能够快速排
出，避免对机箱其它器件造成影响；不易受外界环境影响。同时也带来了相关问
题，电子设备需增加风扇作为动力部件，需在设计时考虑维护和寿命问题；整体
机箱的防护等级取决于风扇的防护等级；设计时需考虑噪音方面的影响因素。
3.常用风机类型及特点
3. 1风机选型
常见的风机类型有轴流风机、前向离心风机、后向离心风机等，轴流风机风
量大但风压小，前向离心风机风压大但风量偏小和效率低，后向离心风机风量和
风压大效率高；对于风机选型不仅要考虑风机的散热性能外，还需要结合实际考
虑风机的结构尺寸、功率、噪音、IP等级、盐雾等级、控制方式、使用寿命、工
作温度范围、价格以及供货周期等因素。一般情况下直径越大风量越大，厚度越
大风压越大；通过了解发热器件的热耗损、空气密度、定压比热容热容值以及出
风与进风的温差利用计算公式可预估系统需风量；此外在设计过程中风扇的安装
应符合要求；另外结合风扇的特性曲线与系统阻力曲线来预估风扇的最佳工作区，
从而达到最高工作效率。
3. 2 风机安装形式
对于风机的安装一般包括吹风和抽风的两种散热形式，对比两种散热形式的
特点，吹风特点如下：（1)通过在系统内形成非稳态流场增强局部散热能力；
（2)送风不均匀；（3)风机处在流体温度较低一侧，相比于抽风能够延长风机使
用寿命；（4)增加系统压力，有效阻止灰尘及污染由缝隙或裂痕进入系统；（5)
吹风要求风机与散热器的距离大于抽风要求的距离。抽风特点如下：（1)减少系
统内回流影响；（2)系统流体相对均匀，适合热源均匀分布的场合；（3)能够获
得更好的流体控制，有利降低气动噪音；（4)风机处在流体温度较高一侧，风机
使用寿命降低；（5)机柜内形成负压，缝隙中灰尘容易进入机柜。我们根据机箱
的内部结构形式以及安装环境等具体要求选取合适的散热方式。当所选风机的风
量或风压不能满足要求时，可考虑风机串联或者并联；风机串联工作时每台风机
的风量一样，风压为两台风机所产生的风压之和；风机并联工作时每台风机的风
压不变，风量为两台风机所产生的风里之和；注意不要串联或并联放置两个不同
的风机。
3. 3 风机噪音
风机噪音一般包含本体噪音、气动噪音和振动噪音。风机本体噪音是按照风
机规格书中标定的噪音值一般在以下几个条件下测试获得：（1)在无障碍的自由
空气下工作；（2)风机采用多个细绳悬吊测试，避免与固定面板产生振动噪音；
（3)背景噪音16dB的噪音室中测试；（4)声级计放置在距离风机进风口1米处
测试声压级；（5)标准转速的运行工况。气动噪音是由于空气在风道中不规则运
动以及空气与风道、散热器碰撞产生的噪音，因此采用抽风，获得较均匀的流场
对降低噪音有影响，风道拐弯处采用圆弧过度减少空气与风道碰撞也能一定程度
降低噪音气动。振动噪音是风机与固定面板之间产生振动以及空气运动造成的风
道振动而产生的噪音。风机和固定面板之间采用柔性弹垫过渡，减轻振动，能够
降低噪音。风道固定牢固采用刚性较大、厚度较厚的材质，一定程度上有利于降
低噪音。当风机并联或串联使用时，可利用噪音叠加计算公式得到叠加噪音，判
断是否满足整体环境噪声要求。
4.散热器及散热基本原则
4. 1 散热器选型
电子机箱常用散热器有压铸散热器、铝挤散热器、铲齿散热器、插齿散热器
等。根据不同材料的导热率不同选用适合的材料，一般铝型材及机加工件可选用
锻铝6061或6063型铝合金；铲齿散热器采用1060型铝合金系列：根据电子设
备工作环境的不同，散热器的表面处理方式也不同，（1)在室内且无盐雾环境下，
只需对散热器表面进行清洗去油污处理；（2)有高盐雾、高湿热要求的环境一般
对散热器进行阳极氧化或导电氧化防护处理；（3)散热器基板工作表面一般采用
铣加工不用拉丝处理；散热器基板如果过宽，需要铣刀多次加工才能处理的，可
以采用拉丝工艺；（4)热管散热器或者铜铝结合散热器需要进行镀镍处理，防止
接触面产生电化学腐蚀；（5)对于自然冷却散热器，其表面通常采用黑色阳极氧
化处理，强化辐射换热，但暴露于强光下的散热器建议采用本色或者淡颜色阳极
氧化，以减少对太阳辐射的吸收。为增加微电子元件与金属散热器接触面的面积，
同时降低附加的接触热阻，通常在器件与散热器接触面之间增加接触压力和添加
界面材料填充界面间的空气，在涉及热传导时，一定要考虑接触热阻的影响，根
据实际情况选择合适的界面材料，如导热垫片、导热硅脂、导热胶等。
4. 2 散热器设计要求
电子机箱结构设计过程中，所有发热元器件都分布在散热器表面。因此对加
工散热器有较高的技术要求，（1)铝铣散热器截面尺寸遵循GB/T14846-2008;(2)
散热器的机加工尺寸公差按GB/T1804-m的标准，形位公差按GB/T1184-K的标准；
（3)安装孔建议采用M4及以上螺钉，螺孔入口处需倒角0. 5x45°,螺纹的有效
的深度建议不小于8mm;(4)散热器基板上的电器件螺钉扭力应该统一；（5)散热
器在基板侧面受剪切力或受力较大的地方需要增加钢丝螺套防护。（6)散热器和
功率器件接触的安装平面应该光滑平整，基板与功率器件的交界面粗糙度推荐
Ra1. 6,其他表面Ra3. 2;(7)两个或者多个散热器焊接成一个更宽的散热器时，
焊缝位置尽量避开功率器件安装面；（8)在对散热器底面进行切削加工时，铣刀
交界面尽量避开功率器件安装面；（9)在热管散热器中，热管与散热器凹槽之间
的缝隙需要用焊料填满。
4. 3 发热器件分布原则
发热器件相对散热器的位置的基本原则，发热器件长边应与散热片冷风流动
方向垂直布置，以利于功率器件的均匀散热；对于多发热器件放置在一个散热器
上，尽里并行放置，该种放置方式避免了前一个发热器件的热里累加到后一个发
热器件；由于热管的导热性能与其放置方向有很大关系，散热器底板内热管尽里
避免负角度放置，即热端在上冷端在下；发热器件在散热器宽度方向上尽量对中
布置，在通风方向上安装在靠近进风口的位置，出风口方向如果空间允许，散热
器留出50mm及以上的长度方便往后热里有足够的面积散热。
4. 4 风道设计原则
风道设计注意事项，首先保证风道的密闭性；尽里短而直，弯头要少，以减
小风道的阻力损失；避免风道急剧弯曲，必须采用弯头时，尽里加大折弯半径并
增加导流板；避免风道骤然扩张或收缩，截面形状尽可能与被冷却元件形状相一
致；在结构尺寸不受限制时，增大风道截面减少压力损失，降低风，机噪声；风
道壁面应光滑，减少气流的摩擦阻力；尽里使风道密封，对抽风，来说更加重要；
进出风口位置分开，避免回流发生；并联风道可通过改变风道内阻力的方法来分
配具体风道内的风里；当风道进口需要装滤尘网格时，要在滤尘效果和流阻之间
予权衡；尽里避免出风口对着人员操作界面。
结语
综上所述，热设计基本理论是一门综合学科，其中导热系统复杂，不确定因
素多，理论值与实际值存在差距。而军品科研周期短任务重，给研发设计人员提
出更高的要求，我们必须充分利用理论结合仿真并行试验的方式，在设计完成后，
实际热测量和热分析，不断优化热设计，积累相关经验，为提高军用电子设备的
可靠性提供有力保障。
参考文献
［1]杨世铭．传热学［M]北京：高等教育出版社，1992. 9
［2]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴电子设备结构设计原理［M].南京：东南大学
出版社，2001: 6-10.