冷卻是任何系統(tǒng)不可或缺的一部分，尤其是在惡劣環(huán)境中使用的系統(tǒng)。David討論了應(yīng)用于安裝在軍事環(huán)境中的工業(yè)計(jì)算機(jī)的冷卻系統(tǒng)參數(shù)，其中高環(huán)境溫度和空氣中的灰塵會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。研究了描述電子元件壽命與溫度和系統(tǒng)氣流以及電感的方程。還介紹了一個(gè)案例研究，說(shuō)明內(nèi)部系統(tǒng)溫度考慮因素至關(guān)重要。

系統(tǒng)軟件性能仍然是嵌入式軍事空間的關(guān)鍵因素。然而，最終，環(huán)境問(wèn)題通常會(huì)決定安裝在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序（如命令和控制、建模和模擬以及通信）中的集成計(jì)算平臺(tái)的成敗。用于軍事用途的計(jì)算機(jī)會(huì)受到廣泛的懲罰，包括環(huán)境溫度升高。雖然沖擊、振動(dòng)和電能質(zhì)量通常會(huì)導(dǎo)致立即故障，但在高溫下運(yùn)行更為隱蔽，從而縮短了系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間 （MTBF）。研究表明，工作溫度每升高 10 ?∞C，組件壽命通常會(huì)縮短 40% 至 50%。因此，盡可能降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)所有組件的溫度至關(guān)重要。過(guò)濾環(huán)境、計(jì)算氣流和考慮阻抗對(duì)于克服這一挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

高溫挑戰(zhàn)

在了解溫度升高的影響時(shí)，系統(tǒng)預(yù)期壽命隨著溫度的升高呈指數(shù)級(jí)下降。這種降解的程度通常由阿倫尼烏斯方程（下圖）控制，該方程描述了組件年齡如何隨著溫度的升高而加速。

表 1：阿倫尼烏斯方程

簡(jiǎn)化后，該方程支持經(jīng)驗(yàn)法則，即組件溫度每升高 10 ?∞C 即可縮短組件壽命。因此，很容易看出，MTBF隨著溫度的任何升高而顯著下降，超出了原始計(jì)算。

提供足夠的冷卻，特別是對(duì)于當(dāng)前戰(zhàn)區(qū)的大功率多處理器系統(tǒng)，需要一種嚴(yán)格的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。最終結(jié)果是幾個(gè)較小貢獻(xiàn)的組合，其中任何一個(gè)貢獻(xiàn)的任何降級(jí)都會(huì)影響系統(tǒng)可靠性。

過(guò)濾掉環(huán)境

預(yù)計(jì)在超過(guò) 120 ?∞F 的環(huán)境溫度下運(yùn)行的軍用級(jí)計(jì)算機(jī)將采用多個(gè)風(fēng)扇，根據(jù)安裝的組件安裝在機(jī)箱前部或中心附近。這些配置可在大范圍內(nèi)提供高氣流，并在機(jī)箱內(nèi)提供正壓。將風(fēng)扇安裝在機(jī)箱后部，作為排氣風(fēng)扇在機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，該負(fù)壓將通過(guò)機(jī)箱中的任何開(kāi)口將未經(jīng)過(guò)濾的臟空氣吸入。

應(yīng)在入口路徑中安裝過(guò)濾器，以清除氣流中的污垢。即使是少量的污垢與水分結(jié)合，也會(huì)導(dǎo)電并導(dǎo)致間歇性操作。污垢充當(dāng)隔熱體，即使少量污垢也會(huì)在一定程度上降低冷卻效果。大量污垢會(huì)完全遮擋處理器和芯片組散熱器中的通道，從而將冷卻量降低到這些設(shè)備所需冷卻的一小部分。任何絕緣效果都會(huì)提高組件溫度并導(dǎo)致壽命縮短。如果處理器因過(guò)熱而進(jìn)入節(jié)流模式，則軟件操作也可能受到影響，自動(dòng)降低時(shí)鐘速率以減少功耗和發(fā)熱。

過(guò)濾介質(zhì)和尺寸的規(guī)格很重要，因?yàn)檫^(guò)濾器會(huì)減少通過(guò)系統(tǒng)的氣流。需要權(quán)衡過(guò)濾器效率與氣流，以確保足夠的系統(tǒng)冷卻流量。應(yīng)指定具有更高壓力能力的風(fēng)扇與過(guò)濾器一起使用。過(guò)濾器也需要定期清潔，因?yàn)楸焕У奈酃笗?huì)增加過(guò)濾器的壓降。過(guò)濾器可能會(huì)完全堵塞，使通過(guò)機(jī)箱的氣流幾乎為零。

一個(gè)重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是完全密封風(fēng)扇艙壁，包括電纜通道，以防止機(jī)箱內(nèi)的空氣再循環(huán)。密封不當(dāng)會(huì)使機(jī)箱后部的高壓熱空氣循環(huán)到風(fēng)扇的入口側(cè)，從而顯著降低冷卻效果。不僅通過(guò)機(jī)箱的氣流減少，而且通過(guò)機(jī)箱循環(huán)的空氣將比外部空氣更熱。這些開(kāi)口不必很大，大約幾平方英寸的總面積，將通過(guò)機(jī)箱的氣流減少到幾乎為零。結(jié)果是機(jī)箱僅通過(guò)皮膚冷卻不良，并且通過(guò)電源的流量很少。

計(jì)算氣流

要考慮的一個(gè)因素是使用較小風(fēng)扇的影響，例如在必須降低機(jī)箱高度的情況下。較小的風(fēng)扇以非線性方式提供減少的氣流。研究風(fēng)扇定律，它描述了風(fēng)扇速度、流量、壓力和功率之間的基本關(guān)系，顯示 Q ~ ND3，其中 Q 是氣流，N 是速度，D 是直徑。因此，氣流由葉片直徑立方控制。也就是說(shuō)，在相同的 RPM 下，一半大小的風(fēng)扇將移動(dòng)八分之一的空氣?；蛘?，理論上半尺寸風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度必須快八倍才能提供相同數(shù)量的空氣。但是，風(fēng)扇速度存在限制，因此具有足夠流速的風(fēng)扇可能無(wú)法用于大功率系統(tǒng)。高速風(fēng)扇的聲音更大，頻率越高，它們看起來(lái)更嘈雜。當(dāng)多個(gè)系統(tǒng)在密閉空間內(nèi)運(yùn)行并且有嚴(yán)格的噪聲限制時(shí)，這可能是一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，考慮到空間限制，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為盡可能大的風(fēng)扇。

表 2：計(jì)算已配置系統(tǒng)中的氣流要求

請(qǐng)注意，環(huán)境溫度不進(jìn)入等式。由于密度較低，較高的環(huán)境溫度會(huì)在一定程度上降低風(fēng)扇的輸出，但這的影響可以忽略不計(jì)。環(huán)境溫度很重要，因?yàn)樗峁┝讼到y(tǒng)溫度的基線。如果環(huán)境溫度比測(cè)試溫度高20度，則內(nèi)部溫度將上升相同的量。

確定風(fēng)扇需求首先需要進(jìn)行分析，以找到最高額定溫度最低的系統(tǒng)組件。通常，這是一個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，但它們通常直接安裝在進(jìn)入的氣流中，而不是由其他系統(tǒng)組件加熱。但它也可能是一個(gè)插件卡，將安裝在熱處理器的附近和下游?；蛘咚赡苁且粋€(gè)與最高工作溫度有小余量的處理器。因此，如果組件的限值為 125 ?∞F，并且系統(tǒng)將在 115 ?∞F 的環(huán)境溫度下使用，那么保守地說(shuō)，通過(guò)系統(tǒng)的允許溫升將為 10 ?∞F。

表 3：通過(guò)系統(tǒng)的氣流

這是通過(guò)系統(tǒng)的氣流，而不是風(fēng)扇的自由額定值。即使在設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)也最多可以輸出其額定流量的 50% 到 60%。因此，在這種情況下，初始風(fēng)扇選擇的起點(diǎn)為 300 CFM。

需要注意的重要一點(diǎn)是電源相對(duì)于氣流的位置。后置電源將直接從機(jī)箱后部排出熱空氣。前置電源將排入機(jī)箱。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的效率約為 70% 至 80%。這種低效率需要添加到總功耗計(jì)算中。例如，使用 500 W 的系統(tǒng)組件將導(dǎo)致系統(tǒng)總功耗為 500/.70 = 714 W，電源效率為 70%。這是用于 CFM 計(jì)算的數(shù)字，但僅適用于前置電源。

機(jī)箱流量阻抗

選擇風(fēng)扇時(shí)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是了解機(jī)箱流量阻抗，這將決定特定風(fēng)扇可以通過(guò)特定外殼推動(dòng)的空氣量。機(jī)箱流量阻抗定義為從進(jìn)氣點(diǎn)到外殼再到排氣點(diǎn)的氣流阻力。排氣口、過(guò)濾介質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安裝組件的尺寸和數(shù)量都有助于增加阻抗。由于底盤(pán)設(shè)計(jì)和安裝組件配置存在無(wú)限變化，因此只能通過(guò)測(cè)量實(shí)際流量與所需壓力來(lái)識(shí)別阻抗。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等數(shù)學(xué)工具可用于近似流動(dòng)。但是，應(yīng)執(zhí)行實(shí)際機(jī)箱阻抗的測(cè)量，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能和 CFD 模型。

此外，壓力梯度驅(qū)動(dòng)氣流。風(fēng)扇前面有低壓，機(jī)箱外有較高的壓力，因此空氣流入機(jī)箱。風(fēng)扇將壓力提升到高于環(huán)境溫度的水平，因此空氣隨后流入機(jī)箱后部并流出機(jī)箱后部。物理學(xué)表明，氣流與壓力的平方成正比。也就是說(shuō)，使通過(guò)系統(tǒng)的流量加倍需要四倍的壓力。在所有條件相同的情況下，添加第二個(gè)風(fēng)扇不會(huì)使流量加倍，但最多會(huì)增加 2 的平方根 （1.41） 或大約 40%。要將氣流加倍將需要四倍的壓力。

通過(guò)機(jī)箱的流量可以通過(guò)在機(jī)箱阻抗曲線上鋪設(shè)風(fēng)扇曲線來(lái)近似確定。兩條曲線的交點(diǎn)給出了氣流。

圖 1 繪制了幾種不同機(jī)箱的阻抗曲線。具有高阻抗的限制性配置顯示為“A”，而開(kāi)放式、通風(fēng)良好的機(jī)箱顯示為 D.B 和 C 顯示具有中等阻抗范圍的機(jī)箱的阻抗曲線。一個(gè)風(fēng)扇（黑線）、兩個(gè)串聯(lián)風(fēng)扇（紅線）和兩個(gè)并聯(lián)風(fēng)扇（藍(lán)線）疊加在阻抗曲線上。對(duì)于三種風(fēng)扇配置，可以看到流過(guò)“D”機(jī)箱的空氣量，范圍從單個(gè)風(fēng)扇的 66 CFM 到兩個(gè)串聯(lián)風(fēng)扇的僅 71 CFM。兩個(gè)風(fēng)扇并行時(shí)，顯示出對(duì) 92 CFM 的顯著改進(jìn)。

圖1

從這張圖中可以明顯看出，對(duì)于具有高阻抗的機(jī)箱，兩個(gè)串聯(lián)的風(fēng)扇可以提供更好的冷卻;同時(shí)，對(duì)于低阻抗的開(kāi)放式機(jī)箱，兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)流動(dòng)更好。B和C曲線顯示串聯(lián)和并聯(lián)風(fēng)扇安裝之間的差異很小，盡管與單個(gè)風(fēng)扇相比有所改進(jìn)。

請(qǐng)注意，D 阻抗曲線在風(fēng)扇不穩(wěn)定區(qū)域與平行風(fēng)扇曲線（藍(lán)線）相交，其中壓力的微小變化對(duì)氣流有很大影響。在這種情況下，將指示選擇不同的風(fēng)扇，以確保更確定的氣流。

隨著風(fēng)扇的增加，氣流增加，內(nèi)部壓力也會(huì)增加，從而降低每個(gè)風(fēng)扇的輸出。請(qǐng)注意，串聯(lián)中第二個(gè)風(fēng)扇的風(fēng)扇曲線只是復(fù)制單個(gè)風(fēng)扇的曲線，每個(gè)壓力點(diǎn)的流量翻倍。沒(méi)有額外的壓力可用。這同樣適用于并聯(lián)風(fēng)機(jī)，除了流量加倍而可用壓力不增加。

為了可視化這對(duì)底盤(pán)流量的影響，想象一個(gè)零阻抗的底盤(pán)，本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)放的盒子。由于沒(méi)有背壓，串聯(lián)的兩個(gè)風(fēng)扇不會(huì)比單個(gè)風(fēng)扇移動(dòng)更多的空氣，但兩個(gè)并聯(lián)的風(fēng)扇會(huì)使流量加倍。在另一個(gè)極端，想象一個(gè)阻抗非常高的底盤(pán)，例如一個(gè)只有一個(gè)小開(kāi)口的封閉盒子。兩個(gè)并聯(lián)的風(fēng)扇不會(huì)增加壓力，因此不會(huì)有額外的空氣流動(dòng)。另一方面，兩個(gè)串聯(lián)的風(fēng)扇將使壓力加倍，使通過(guò)系統(tǒng)的流量增加 40%。在現(xiàn)實(shí)世界中，機(jī)箱阻抗介于這些極端之間，因此風(fēng)扇的選擇和配置是通過(guò)比較曲線來(lái)確定最佳流量的。另一個(gè)考慮因素是風(fēng)扇不是線性設(shè)備，并且具有不穩(wěn)定區(qū)域。根據(jù)曲線的交點(diǎn)仔細(xì)選擇風(fēng)扇將防止在這些不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行，并最大限度地提高通過(guò)系統(tǒng)的流量。

案例研究：4U 關(guān)節(jié)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)

作為大功率軍用計(jì)算機(jī)冷卻分析和解決方案的真實(shí)示例，請(qǐng)考慮在一個(gè) 4U 機(jī)箱內(nèi)安裝兩臺(tái)單板計(jì)算機(jī)的問(wèn)題。當(dāng) L-3 Com ESD 需要一個(gè)堅(jiān)固的 4U 機(jī)箱來(lái)支持其關(guān)節(jié)范圍擴(kuò)展 （JRE） 計(jì)劃時(shí)，機(jī)箱計(jì)劃工程師根據(jù) JRE 獨(dú)特的機(jī)械和環(huán)境系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)全面的解決方案。聯(lián)合射程擴(kuò)展是一種硬件和軟件組合系統(tǒng)，用于接收在特定行動(dòng)區(qū)域的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈上傳輸?shù)膽?zhàn)場(chǎng)信息，然后將該信息轉(zhuǎn)發(fā)到位于視線之外點(diǎn)的另一個(gè)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈終端（DLT）。

機(jī)箱計(jì)劃的JRE-DLT提供了兩臺(tái)雙處理器至強(qiáng)XPT單板計(jì)算機(jī)，一臺(tái)運(yùn)行Windows XP，另一臺(tái)運(yùn)行Solaris。由于在一個(gè)機(jī)箱中托管兩臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生熱量，JRE-DLT 機(jī)箱的補(bǔ)救措施是通過(guò)在機(jī)箱中間安裝四個(gè)高速 92 mm 熱插拔風(fēng)扇并密封氣流路徑以消除再循環(huán)來(lái)形成“空氣墻”。由于該系統(tǒng)用于非常骯臟的環(huán)境，因此在前門(mén)上提供了一對(duì)30 ppi的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫過(guò)濾器。

該系統(tǒng)包括兩個(gè)獨(dú)立的背板，占據(jù)機(jī)箱的整個(gè)寬度。這要求使用前置電源。系統(tǒng)功率要求在 450 W 時(shí)計(jì)算。使用效率為 78% 的前置電源，系統(tǒng)發(fā)熱計(jì)算為 576 W。目標(biāo)溫升為 15 ?∞F 時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)氣流計(jì)算為 121 CFM。每個(gè)風(fēng)扇的額定功率為 76 CFM，總氣流為 305 CFM 自由空氣額定值。系統(tǒng)阻抗將風(fēng)扇輸出降低到大約 150 CFM，滿足目標(biāo)系統(tǒng)冷卻參數(shù)和流量裕度。仔細(xì)關(guān)注機(jī)箱設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，特別是氣流路徑和風(fēng)扇選擇，提供了足夠的冷卻，以確保此大功率系統(tǒng)的足夠性能和組件壽命。

溫度升高時(shí)冷卻電子設(shè)備

惡劣的熱環(huán)境和對(duì)可靠系統(tǒng)運(yùn)行的需求需要仔細(xì)分析通過(guò)軍用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的氣流。如果工作溫度每升高 10 ?∞C 即可將組件壽命減半，則必須通過(guò)最大化冷卻氣流來(lái)最大限度地降低組件溫度。最佳風(fēng)扇選擇取決于底盤(pán)設(shè)計(jì)、空氣過(guò)濾介質(zhì)和已安裝組件施加的流動(dòng)阻力;此外，可以通過(guò)繪制機(jī)箱阻抗與風(fēng)扇流量/壓力曲線的關(guān)系來(lái)確定最佳使用風(fēng)扇。只有通過(guò)包括冷卻在內(nèi)的完整系統(tǒng)工程，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行潛力。

審核編輯：郭婷