電子產品如手機、服務器、網絡設備、智能手表、電動汽車電子控制單元等產品的尺寸變小，功能增多，導致熱耗增大，從而作為產品電子產品機械部件的殼體設計越來越重要。不管是開口殼體還是封閉殼體，電子產品的熱量都需要經過殼體散發到環境空氣中。

如圖1所示，1U服務器布置非常緊湊，殼體內空氣流動復雜，因此優化殼體內空氣流動，確保關鍵芯片有足夠冷空氣冷卻；殼體結構設計必須符合產品熱管理要求。

圖1 Simcenter FloTHERM 仿真分析1U服務器殼體內空氣流動

西門子工業軟件Simcenter FloTHERM和Simcenter FloTHERMXT可以在產品概念設計階段，利用“Enclosure”智能部件優化殼體大小、開孔、風扇布置、PCBA在殼體中安裝與布局，從而優化空氣流動，確保產品熱可靠性。對于詳細機械結構的殼體，可以通過Simcenter FloTHERM的FloMCAD Bridge 導入到Simcenter FloTHERM中做優化設計，也可以在Simcenter FloTHERM XT中通過機械參數尺寸優化殼體設計。在客戶案列基礎上，本文給出殼體設計需要考慮的一些因素，供熱設計工程師參考。

第一考慮點：殼體設計中，需要確保關鍵芯片散熱有足夠空氣流道。電子產品各種接頭，數據線可能會占用空氣流道，從而增加空氣阻力，風扇工作點向壓力大處偏移，導致流量變小而芯片節溫偏高；自然對流、封閉殼體的電子產品中的連接器可能會導致殼體中空氣回流，如果熱空氣回流點出現在主要芯片處，就會導致產品失效。因此在機械殼體設計中，不僅需要考慮高功耗芯片，也需要考慮產品連接器，數據線（如圖2所示）對空氣流動的影響。

圖2 電腦中數據連接線

第二考慮點：選擇合適風扇安裝在殼體上合適位置。

圖3 風扇類型從左到右：軸流風扇、徑流風扇、離心風扇

圖4 軸流風扇，徑流風扇以及混流風扇的標準化P-Q曲線

不同類型的風扇外形如圖3所示，P-Q曲線如圖4所示。徑向風扇通常會產生高壓力而流量低，軸流風扇流量高而壓力低；如何選擇風扇，主要依據是控制芯片節溫需要的風量，滿足風量條件下，為設計余量，如果外殼有安裝空間，工程師通常會選擇大風扇，大風扇出風大，工作點轉速慢，噪音小；大風扇成本高，風扇電磁兼容EMC問題很難解決，電子產品小型化，迫使工程師選擇更小更便宜的風扇，如此風扇轉速高，噪音大，風量也會少。

第三考慮點：強制對流電子產品，風扇對殼體來說是抽風還是送風。從系統熱設計時，首先需要考慮風扇送風進外殼還是風扇從外殼抽風，送風系統在外殼內產生正壓，各個PCBA板，連接器都是阻力部件，風扇布置和各個PCBA插槽板間距與布置需要優化才能保證空氣合理均勻分配；目前筆記本電腦采用送風。復雜的電子產品，為保證流量，通常安裝內部風扇，送風風扇與抽風風扇組合應用。抽風系統在外殼內產生負壓，會有環境空氣漏入系統而大固體顆粒會被入風口濾網過濾掉，抽風系統流動會更加均勻。在殼體詳細設計階段，一定要考慮風扇在殼體上的安裝，確保減少高速風扇因機械振動而產生的噪音。

第四考慮點：利用導流板讓殼體內風速均勻，減少環流。導流板通常放在送風風扇后面，導流板加入會導致送風系統阻力增加，流量減少；導流板產生阻力越大，流動越均勻，如圖5所示。

圖5 Simcenter FloTHERM XT中利用導流板分配流量

如圖6所示，風扇托盤安裝同類型的軸流風扇，因軸流風扇送風速度高時有“噴射”效應，軸流風扇會產生非軸流速度；風扇流量越高，軸流風扇越容易產生徑向速度，為確保風扇托盤后空氣流量均勻，流向一致，通常需要考慮加導流板。

風扇流速大產生徑向速度，出口形成渦流，有效散熱空氣減少，建議加導流板

圖6 Simcenter FloTHERM中軸流風扇并列送風流動不一致示意

圖7 具有EMC阻隔功能的外殼蜂窩通風孔

第五考慮點：優化設計殼體通風孔尺寸。不管抽風還是送風散熱，空氣都需要經過殼體通風孔，不同尺寸與布局通風孔會產生不同壓力損失和空氣流動速度。抽風系統可能會在入風口處因系統與殼體通風孔設計不合理，導致入口速度大而回流，從而增大壓力損失，減低流量而產生產品局部“過熱點”。殼體開孔會產生電磁干擾EMC問題。如圖7所示。利用鋁合金薄板成型的殼體開蜂窩通風孔，開孔率達95%，同時開孔鋁板具有EMC屏蔽功能，然而開孔直徑過小導致空氣流過微小孔壓力損失太大，需要用大風扇，增加成本。

第六考慮點：優化風扇和通風孔在外殼上放置位置與大小。

第七考慮點：優化PCBA在殼體中的放置，如圖8所示，PCBA在外殼體內不同位置，導致熱源位不同；熱空氣上浮，冷空氣進入殼體內，從而流動形態和速度有差別，散熱效果不同。

圖8 路由器PCBA在外殼中放置位置影響散熱效果

第八考慮點：充分利用殼體導熱。對于殼體完全封閉的電子產品，熱源熱量直接通過傳導進入殼體，殼體導熱均溫，殼體與環境自然對流導出產品熱量達到散熱效果，如圖9所示的智能手機產品。

圖9 Simcenter FloTHERM XT中智能手機熱分析效果

第九考慮點：殼體內表面增加熱擴散功能。在PCBA與殼體直接接觸時，利用金屬PCBA板；平板熱管連接殼體與熱源；殼體內部利用石墨薄片均溫等。

第十考慮點：是否可以用相變材料減少熱沖擊。如圖9所示，對于快充設備，相變材料可降低產品殼體溫度。

圖10 Simcenter FloTHERM中相變換熱仿真

第十一考慮點：殼體自然對流電子產品，務必增加輻射換熱。

第十二考慮點：殼體機械設計MCAD與電路板EDA設計協同進行。Simcenter FloTHERM XT提供產品在概念設計階段協同優化殼體機械設計與EDA芯片布局優化設計，確保產品熱可靠性。

總結：西門子工業軟件Simcenter FloTHERM& Simcenter FloTHERM XT 提供電子產品殼體熱設計工具平臺，讓熱設計智能化，如利用外殼溫度反饋控制風扇轉速達到散熱效果，Simcenter FloTHERM中都能實現。再比如Simcenter FloTHERM中“controller”可根據芯片溫度選擇發熱功率和使用頻率，從而讓熱仿真智能化。

本文來源:Mentor機械分析，作者:周志雄

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