滿足當(dāng)今外殼設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的性能和散熱要求

國防和航空航天加固型系統(tǒng)市場需要在極端環(huán)境條件下提供廣泛的計算能力?？傮w而言，應(yīng)用程序需要更多的處理能力;不可避免的是，隨著處理能力的增長，熱管理變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

需要定制電子外殼的用戶通常指定小批量運行（數(shù)量在1到15個單位之間），并在大約12-20周內(nèi)進行生產(chǎn)交付;這種激進的交付計劃使沒有時間進行原型設(shè)計或測試。這些定制外殼的制造商完全依靠工程經(jīng)驗以及結(jié)構(gòu)和熱仿真來滿足客戶的要求。最先進的仿真工具使外殼制造商能夠在短時間內(nèi)迭代多個場景;這不僅可以優(yōu)化熱性能，還可以優(yōu)化重量，降低噪音，降低成本和進度。

通常提供的是金屬外殼（通常是釬焊鋁），高速背板和設(shè)計用于滿足特定用戶要求的電源。然后，設(shè)計人員用自己的電子設(shè)備套件或“有效載荷”填充外殼。然而，通常，機柜團隊很少獲得有關(guān)有效載荷的設(shè)計或最終功能的信息。通常，該團隊只知道子系統(tǒng)的整體尺寸、功率水平、環(huán)境條件以及電子卡安裝的溫度要求的規(guī)格。設(shè)計人員必須根據(jù)這些有限的系統(tǒng)細節(jié)，制定出一種能夠在給定功率水平下滿足所有環(huán)境條件下所需溫度的解決方案。

設(shè)計團隊經(jīng)常面臨的另一個挑戰(zhàn)是，在許多情況下，外殼由第三方出售給最終客戶，而設(shè)計的外殼基本上充當(dāng)組件，而不是產(chǎn)品級的完整系統(tǒng)。在這些情況下，外殼設(shè)計人員很少收到有關(guān)結(jié)果的反饋。

新設(shè)計給外殼帶來了壓力

隨著應(yīng)用需要更多的處理能力，軍用嵌入式系統(tǒng)新設(shè)計的趨勢是從 VME 過渡到 OpenVPX 標(biāo)準1。這些新的 OpenVPX 系統(tǒng)可以配置一系列新的處理元素，與幾年前的 VME 系統(tǒng)相比，實現(xiàn)了巨大的性能飛躍。隨著這種轉(zhuǎn)變，功耗也同樣巨大：典型的6U VME系統(tǒng)每個插槽的最大功耗為60 W，而典型的6U VPX系統(tǒng)每個插槽的功耗高達200 W。

這一變化是機柜熱管理中一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。更換現(xiàn)有機箱中的背板并在最初為VME設(shè)計的機箱中運行VPX是不夠的，因為冷卻系統(tǒng)不足以散發(fā)產(chǎn)生的較高熱量。許多運行 VME 的系統(tǒng)通常甚至不考慮熱分析或仿真，因為功率水平太低。然而，隨著 VPX 和多個插槽的出現(xiàn)，外殼中要散發(fā)的熱量很容易超過 1 KW。將功率的增加與這些系統(tǒng)必須運行的惡劣環(huán)境條件相結(jié)合，熱管理成為項目中風(fēng)險最高的因素之一。因此，最初對VME來說不是問題，因此對于基于VPX的項目的成功至關(guān)重要。因此，熱仿真必須是設(shè)計過程的重要組成部分。

許多因素會影響加固型電子外殼的熱管理，但風(fēng)冷系統(tǒng)（或空氣冷卻的傳導(dǎo)有效載荷系統(tǒng)）的主要因素是工作溫度。許多地面平臺需要在極高的溫度條件下運行，以及惡劣的沙塵環(huán)境 - 所有這些都增加了熱管理的難度。風(fēng)機必須經(jīng)過專門設(shè)計，不僅要滿足高工作溫度，還要采取特殊的預(yù)防措施來處理沙塵。必須對風(fēng)冷系統(tǒng)進行過濾，并提供維護計劃，以便系統(tǒng)不會因過濾器堵塞引起的過熱而關(guān)閉。

另一個重要的考慮因素是工作高度。隨著海拔高度的增加，空氣密度降低，空氣移動器的冷卻能力降低相同量?？諝饷芏冉档?0%（大約20 kft高度）將導(dǎo)致同一cfm下的冷卻減少50%。

由于這些外殼主要用于軍事應(yīng)用，因此環(huán)境條件可能會有很大差異，并且通常是極端的。新產(chǎn)品通常是針對較舊的現(xiàn)有設(shè)備進行改造，并且新的更高功率的外殼必須由現(xiàn)有的平臺冷卻系統(tǒng)進行冷卻。通常，新設(shè)計需要滿足其所替換系統(tǒng)不需要的規(guī)格，并且過去有效的方法對于替換系統(tǒng)來說可能足夠，也可能不夠。

設(shè)計團隊（包括熱工和機械工程師）面臨的挑戰(zhàn)是在很短的時間內(nèi)滿足客戶的所有要求。由于所得系統(tǒng)必須執(zhí)行的環(huán)境條件惡劣，并且所需的功率水平通常很高，因此熱仿真至關(guān)重要。

根據(jù)客戶規(guī)格和邊界條件，Curtiss-Wright的工程包裝集團設(shè)計和制造滿足性能要求和散熱要求的動力外殼?；谄脚_上的冷卻系統(tǒng)，該小組設(shè)計了為風(fēng)冷有效載荷，風(fēng)冷傳導(dǎo)有效載荷，液冷傳導(dǎo)有效載荷以及幾種混合設(shè)計提供熱管理的外殼;例如，一個獨立的液冷式熱交換器，用于一套風(fēng)冷有效載荷。

整個系統(tǒng)設(shè)計過程的第一步是定義系統(tǒng)所需的功能或能力。下一步是確定系統(tǒng)（和平臺）的物理約束，然后根據(jù)這些約束，選擇哪些現(xiàn)有模塊可以提供所需的功能。

通常，機柜空間由機械約束決定，這些約束在報價階段未完全定義。這是許多系統(tǒng)功能的結(jié)果，例如I / O連接，布線和空氣充氣分配，這些功能可能尚未在開發(fā)的早期階段確定。經(jīng)過初步的熱仿真結(jié)果，使用Mentor圖形FloTHERM散熱片設(shè)計（CFD）熱仿真軟件，表明可以滿足客戶的要求，機械設(shè)計過程就開始了。

設(shè)計工程和熱工程團隊之間通常會進行多次迭代，以達到最終解決方案。需要這種關(guān)注水平的一個設(shè)計方面是CFD優(yōu)化。CFD仿真可以快速優(yōu)化螺距、厚度、翅片數(shù)量或基底厚度。由于每個產(chǎn)品都是定制的，因此幾乎沒有機會進行設(shè)計重用。例如，冷卻壁（散熱器）幾何形狀是針對每個特定應(yīng)用而設(shè)計的，以確保以最低的成本為每種產(chǎn)品提供最佳設(shè)計。雖然最終的解決方案可能與熱設(shè)計的起點相似，但它永遠不會完全相同。雖然通過消除早期原型、測試、評估和重新設(shè)計所節(jié)省的時間和成本很難衡量，但當(dāng)交付計劃緊張時，任何和所有的時間節(jié)省都至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷