加固計(jì)算機(jī)主機(jī)箱的自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷的兩種熱設(shè)計(jì)方法

前言

---作為信息系統(tǒng)的“中樞”，計(jì)算機(jī)在信息化戰(zhàn)場上的作用和地位日益突出。為了保證計(jì)算機(jī)在復(fù)雜惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中正常穩(wěn)定地工作，需要對(duì)一般商用計(jì)算機(jī)進(jìn)行特殊加固，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

---艦載軍用加固計(jì)算機(jī)由主機(jī)和顯示器組成，考慮到防震和抗沖擊的需要，均采用鋁合金加固的形式。由于顯示器的發(fā)熱量較小，采用自然散熱的方式即可以保證其正常工作，因此熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是加固計(jì)算機(jī)的主機(jī)箱。計(jì)算機(jī)的主機(jī)箱是19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，采用浮動(dòng)螺母的方式固定在工作艙的通信指揮臺(tái)下。機(jī)箱內(nèi)的電源、CPU等器件分別焊接在不同的單盤上，各按照一定的順序插入機(jī)箱背板。所有的信號(hào)線由背板后出線，連接到顯示器上，組成軍用加固計(jì)算機(jī)。艦載軍用加固計(jì)算機(jī)需要具有防電磁干擾、防震、抗沖擊、防水、防鹽霧的能力，因此主機(jī)必須使用全密封封閉式機(jī)箱。而主機(jī)箱內(nèi)有電源、CPU等高熱器件，因此主機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)成為加固計(jì)算機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵。

主機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)

● 加固計(jì)算機(jī)主機(jī)箱的熱分析

---計(jì)算機(jī)在正常工作時(shí)，主機(jī)箱的功率約為200W。由于加固計(jì)算機(jī)主要工作在軍艦的專業(yè)艙室內(nèi)，其工作環(huán)境條件如表1所示。

---由上述設(shè)計(jì)和工作參數(shù)可知，雖然主機(jī)箱的功率并不大，但由于主機(jī)箱是一個(gè)完全密閉的腔體，腔內(nèi)各單盤熱量分布不均勻，長期工作后機(jī)箱內(nèi)部溫度上升很快。另外，考慮到主機(jī)箱與通信指揮臺(tái)的安裝和維護(hù)，主箱體外表面并沒有設(shè)計(jì)成具有良好自然散熱效果的肋片狀，而實(shí)際工作環(huán)境較嚴(yán)酷，因此熱設(shè)計(jì)按照最惡劣環(huán)境條件計(jì)算，需要采用自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種方式散熱，保證電子器件正常工作。

● 自然散熱

---在滿足強(qiáng)度、剛度和良好的機(jī)加工性能的條件下，盡量選擇具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料，提高箱體的散熱能力。本機(jī)箱選擇LY12型號(hào)的鋁合金，機(jī)箱為整體式，壁厚20mm。

---在機(jī)箱中，電子元器件通常是熱源，一般情況下是腔內(nèi)的最熱點(diǎn)。而熱始終是從熱區(qū)流向冷區(qū)，因此機(jī)箱內(nèi)傳熱的基本問題是在熱源和終端散熱器之間提供良好的熱流路徑，散去內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。

---加固計(jì)算機(jī)的單盤插入主機(jī)箱后，PCB板上下邊沿與導(dǎo)軌之間存在著較大的間隙。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，實(shí)際上起到了隔熱的作用。因此在PCB板上下邊沿上安裝鋁質(zhì)楔形塊，如圖1所示。

---由圖1可知，楔形塊是由螺釘、前滑塊、固定塊、后滑塊、鋁合金導(dǎo)軌組成。其中固定塊與鋁合金導(dǎo)軌是一個(gè)整體，固定在PCB板的上下邊沿上。前后滑塊與固定塊相接觸截面設(shè)計(jì)成為斜面，中間為中空的螺孔，螺孔中安裝螺釘。當(dāng)單盤插入機(jī)箱中時(shí)，松開螺釘，此時(shí)，前后滑塊的左表面與箱體導(dǎo)軌之間存在間隙；當(dāng)單盤插入機(jī)箱中背板后，緊定螺釘，則前后滑塊將沿固定斜面向左運(yùn)動(dòng)，與箱體內(nèi)導(dǎo)軌緊密接觸。

---另外，在確定了單盤中發(fā)熱量大的器件后，將導(dǎo)熱雙面膠帶的一個(gè)面平貼在芯片（元件）上，另一個(gè)面平貼在散熱器表面，然后通過導(dǎo)熱雙面膠帶與楔形塊聯(lián)結(jié)，這樣可有效減小PCB板和箱體的熱阻，加大了導(dǎo)熱面積，提高主機(jī)箱的自然散熱效率。

● 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱

---由于加固計(jì)算機(jī)的主機(jī)箱是固定在工作艙的通信指揮臺(tái)下，它的強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式不能采用一般的民用通信設(shè)備在機(jī)柜子架下方安裝軸流式風(fēng)機(jī)散熱單元的方法。因此必須在加固計(jì)算機(jī)的主機(jī)箱內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)，并形成合理的風(fēng)道來實(shí)現(xiàn)散熱的目的，如圖2所示。

---由于鼓風(fēng)機(jī)具有風(fēng)壓大，風(fēng)量集中的特點(diǎn)，特別適合單元內(nèi)熱量分布不均，風(fēng)阻較大的場合，因此采用整機(jī)鼓風(fēng)冷卻形式。風(fēng)機(jī)根據(jù)主機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式采用圓筒式軸流風(fēng)機(jī)。在主機(jī)箱上下蓋板壁內(nèi)構(gòu)造風(fēng)道，并將風(fēng)道橫截面設(shè)計(jì)成為多個(gè)圓形的互不相同的小孔。這樣，環(huán)境溫度下的冷空氣在鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下從風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口沿著風(fēng)道流動(dòng)，將上下蓋板的熱量帶走，通過風(fēng)道出風(fēng)口將熱量排出機(jī)箱外，完成加固計(jì)算機(jī)的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。雖然風(fēng)阻較大，但選擇合適功率的風(fēng)機(jī)后，可以保證加固計(jì)算機(jī)具有良好的抗沖擊和散熱能力。根據(jù)熱平衡方程和環(huán)境條件參數(shù)可以確定風(fēng)機(jī)的型號(hào)以及風(fēng)道的結(jié)構(gòu)尺寸。

熱試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)

---為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的效果，根據(jù)GJB367.2-82中401、402項(xiàng)的規(guī)定，對(duì)艦載軍用加固計(jì)算機(jī)進(jìn)行高低溫環(huán)境試驗(yàn)，以保證加固計(jì)算機(jī)的性能要求，其中高溫試驗(yàn)最為重要。高溫?zé)嵩囼?yàn)的具體結(jié)果見表2，該試驗(yàn)結(jié)果表明計(jì)算機(jī)的熱設(shè)計(jì)符合GJB的要求，設(shè)備可以長期穩(wěn)定可靠地工作。

---由于風(fēng)道是設(shè)計(jì)在加固計(jì)算機(jī)上下蓋板的內(nèi)壁，在一定程度上破壞了加固計(jì)算機(jī)的強(qiáng)度，可能減弱其抗沖擊能力，因此還必須按照GJB367.2-82中408項(xiàng)的規(guī)定，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行沖擊性能和顛震性能試驗(yàn)。通過抗沖擊和顛震試驗(yàn)，證明該加固計(jì)算機(jī)符合要求。

結(jié)束語

---熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)重要問題，但是良好的散熱和電磁兼容往往是一對(duì)較難解決的矛盾。采用上述熱設(shè)計(jì)方法，可以較好地解決這一問題。該方法具有設(shè)計(jì)簡單、可靠性高、維護(hù)方便、研發(fā)和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，對(duì)于艦載軍用電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)具有一定的借簽作用。

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