冷卻是任何系統(tǒng)不可或缺的一部分，特別是在惡劣環(huán)境中使用的系統(tǒng)。David討論了應用于安裝在軍事環(huán)境中的工業(yè)計算機的冷卻系統(tǒng)參數(shù)，其中高環(huán)境溫度和空氣中的灰塵會影響系統(tǒng)可靠性。檢查描述電子元件壽命與溫度和系統(tǒng)氣流以及電感的方程。本文還介紹了一個案例研究，說明內部系統(tǒng)溫度考慮因素至關重要。

系統(tǒng)軟件性能仍然是嵌入式軍事領域的一個關鍵因素。然而，最終，環(huán)境問題通常將決定安裝在命令和控制、建模和模擬以及通信等關鍵任務應用程序中的集成計算平臺的成敗。用于軍事用途的計算機將受到廣泛的懲罰，包括環(huán)境溫度升高。雖然沖擊、振動和電能質量通常會導致立即發(fā)生故障，但在高溫下運行更為隱蔽，從而縮短了系統(tǒng)的平均故障間隔時間 （MTBF）。研究表明，工作溫度每升高10?∞C，部件壽命通常會縮短40%至50%。因此，盡可能降低計算機系統(tǒng)內所有組件的溫度至關重要。過濾環(huán)境，計算氣流和考慮阻抗對于克服這一挑戰(zhàn)至關重要。

高溫挑戰(zhàn)

在了解溫度升高的影響時，系統(tǒng)預期壽命隨著溫度的升高呈指數(shù)級下降。這種降解的程度通常由Arrhenius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

簡化后，該方程支持一條經(jīng)驗法則，即元件溫度每升高10 ?∞C，元件壽命就會減半。因此，很容易看出，隨著溫度超出原始計算的任何升高，MTBF都會顯著下降。

提供足夠的冷卻，特別是對于當前戰(zhàn)場中的大功率多處理器系統(tǒng)，需要一種嚴謹?shù)睦鋮s系統(tǒng)設計方法。最終結果是幾個較小貢獻的組合，其中任何一個的貢獻中的任何降級都會影響系統(tǒng)可靠性。

過濾掉環(huán)境

預計在環(huán)境溫度超過120?∞F的環(huán)境中運行的軍用級計算機將使用多個風扇，這些風扇將按照已安裝組件的指示安裝在機箱的前部或靠近中心。這些配置可在廣闊的區(qū)域內提供高氣流，并在機箱內提供正壓。將風扇安裝在機箱后部作為排氣風扇會在機箱內部產(chǎn)生負壓，從而將未經(jīng)過濾的臟空氣通過機箱中的任何開口吸入。

應在入口路徑中安裝過濾器，以清除氣流中的污垢。即使是少量的污垢，加上水分，也會傳導并導致間歇性操作。污垢充當隔熱劑，即使少量，也會在一定程度上降低冷卻效果。在較大的數(shù)量中，污垢會完全遮擋處理器和芯片組上散熱器中的通道，從而將冷卻減少到這些設備所需冷卻的一小部分。任何絕緣效應都會提高組件溫度并導致使用壽命縮短。如果處理器由于過熱而進入節(jié)流模式，軟件操作也可能受到影響，從而自動降低時鐘速率以降低功耗和熱量產(chǎn)生。

過濾介質和尺寸的規(guī)格很重要，因為過濾器會減少通過系統(tǒng)的氣流。需要權衡過濾器效率與氣流，以確保足夠的系統(tǒng)冷卻流量。應指定具有較高壓力能力的風扇與過濾器一起使用。過濾器也需要定期清潔，因為被困的污垢會增加過濾器的壓降。過濾器可能會完全堵塞，從而將通過機箱的氣流減少到幾乎為零。

一個重要的設計標準是完全密封風扇隔板，包括電纜通道，以防止機箱內的空氣再循環(huán)。密封不當會使機箱后部的高壓熱空氣循環(huán)到風扇的入口側，從而顯著降低冷卻效率。不僅通過機箱的氣流減少，通過機箱循環(huán)的空氣將比外部空氣更熱。這些開口不必非常大，大約幾平方英寸的組合面積，即可將穿過機箱的氣流減少到幾乎為零。結果是機箱僅通過皮膚冷卻不良，并且通過電源的流量很小。

計算氣流

要考慮的一個因素是使用較小風扇的影響，例如在必須降低機箱高度的情況下。較小的風扇以非線性方式提供減少的氣流。檢查風扇定律，描述了風扇速度，流量，壓力和功率之間的基本關系，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，對于相同的 RPM，一半大小的風扇將移動八分之一的空氣?；蛘撸碚撋?，半尺寸風扇的旋轉速度必須快八倍才能提供相同數(shù)量的空氣。但是，風扇速度存在限制，因此具有足夠流量的風扇可能無法用于大功率系統(tǒng)。高速風扇的聲音更大，頻率越高，它們看起來更嘈雜。當多個系統(tǒng)在密閉空間中運行時，這可能是一個關鍵因素，并且施加了嚴格的噪聲限制。因此，在空間限制的情況下，系統(tǒng)應盡可能使用最大的風扇進行設計。

表 2：計算已配置系統(tǒng)中的氣流要求

請注意，環(huán)境溫度不計入等式。由于密度較低，較高的環(huán)境溫度會在一定程度上降低風扇的輸出，但這種影響可以忽略不計。環(huán)境溫度很重要，因為它提供了系統(tǒng)溫度的基線。如果環(huán)境溫度比測試溫度高出20度，則內部溫度將上升相同的量。

確定風扇要求首先需要分析以找到具有最低最大溫度額定值的系統(tǒng)組件。通常，這是一個磁盤驅動器，但這些驅動器通常直接安裝在傳入的氣流中，而不是由其他系統(tǒng)組件加熱。但它也可能是一個插件卡，將安裝在熱處理器的附近和下游?；蛘咚赡苁且粋€處理器，其最大工作溫度的余量很小。因此，如果組件具有125?∞F的限值，并且系統(tǒng)將在115?∞F的環(huán)境溫度下使用，那么保守地說，通過系統(tǒng)的允許溫升將為10?∞F。

表 3：通過系統(tǒng)的氣流

這是通過系統(tǒng)的氣流，而不是風扇的自由額定值。即使在設計良好的系統(tǒng)中，風扇的輸出量最多為額定流量的50%至60%。因此，在這種情況下，初始風扇選擇將指示300 CFM的起點。

需要注意的重要一點是電源的放置，關于氣流。后置電源會將其熱空氣直接排出機箱后部。前置電源將耗盡到機箱中。通常，開關電源的效率約為 70% 至 80%。這種低效率需要添加到總瓦特耗散計算中。例如，使用500 W的系統(tǒng)組件將導致總系統(tǒng)功耗為500/.70 = 714 W，效率為70%。這是用于 CFM 計算的數(shù)字，但僅適用于前置電源。

底盤流動阻抗

選擇風扇時的另一個挑戰(zhàn)是了解機箱流阻抗，這將決定特定風扇可以通過特定機箱推動的空氣量。底盤流動阻抗定義為從進氣點到排氣點的氣流阻力，通過外殼，再到排氣點。通風口、過濾介質、內部結構和安裝的組件的尺寸和數(shù)量都有助于增加阻抗。由于底盤設計和安裝組件的配置存在無限變化，阻抗只能通過測量實際流量與所需壓力來辨別。計算流體動力學（CFD）等數(shù)學工具可用于近似流動。但是，應測量實際的機箱阻抗，以驗證系統(tǒng)性能和CFD模型。

此外，壓力梯度驅動氣流。風扇前方的壓力較低，機箱外的壓力較高，因此空氣流入機箱。風扇將壓力提升到環(huán)境值以上，然后空氣流入機箱后部并從機箱后部流出。物理學表明，氣流與壓力的平方成正比。也就是說，要使通過系統(tǒng)的流量增加一倍，需要四倍的壓力。在所有條件相同的情況下，添加第二個風扇不會使流量增加一倍，但最多會增加2（1.41）的平方根或約40%。要使氣流增加一倍，需要四倍的壓力。

通過機箱阻抗曲線上的風扇曲線可以近似地確定通過機箱的流量。兩條曲線的交點給出了氣流。

圖 1 繪制了幾個不同機箱的阻抗曲線。具有高阻抗的限制性配置顯示為“A”，而開放、通風良好的機箱顯示為D.B和C顯示具有中間阻抗范圍的機箱的阻抗曲線。阻抗曲線上覆蓋一個風扇（黑線）、兩個串聯(lián)風扇（紅線）和兩個并聯(lián)風扇（藍線）。對于三種風扇配置，可以看到流經(jīng)“D”機箱的空氣量，從單個風扇的66 CFM到串聯(lián)的兩個風扇的71 CFM不等。兩個風扇并聯(lián)顯示對 92 CFM 的顯著改進。

圖 1

從該圖中可以明顯看出，對于具有高阻抗的機箱，兩個串聯(lián)的風扇可提供更好的冷卻效果。同時，對于低阻抗的開放式機箱，兩個風扇并聯(lián)流動更好。B和C曲線顯示串聯(lián)和并聯(lián)風扇安裝之間的差異很小，盡管與單個風扇相比有所改進。

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

隨著氣流隨著額外風扇的增加而增加，內部壓力也會增加，從而降低每個風扇的輸出。請注意，串聯(lián)第二個風扇的風扇曲線只是復制了單個風扇的曲線，每個壓力點的流量加倍。沒有額外的壓力可用。這同樣適用于并聯(lián)的風扇，除了流量加倍，可用壓力沒有增加。

為了可視化這對底盤流量的影響，想象一個零阻抗的底盤，本質上是一個開放的盒子。由于沒有背壓，串聯(lián)的兩個風扇不會比單個風扇移動更多的空氣，但并聯(lián)的兩個風扇會使流量加倍。在另一個極端，想象一個阻抗非常高的底盤，比如一個只有一個小開口的封閉盒子。兩個并聯(lián)的風扇不會增加壓力，因此不會流過額外的空氣。另一方面，兩個串聯(lián)的風扇將使壓力加倍，使通過系統(tǒng)的流量增加40%。在現(xiàn)實世界中，機箱阻抗介于這些極端之間，因此通過比較曲線來確定風扇選擇和配置，以確定最佳流量。另一個考慮因素是風扇不是線性器件，并且具有不穩(wěn)定的區(qū)域。根據(jù)曲線的交點仔細選擇風扇，可以防止在這些不穩(wěn)定區(qū)域運行，并最大限度地提高通過系統(tǒng)的流量。

案例研究：4U 關節(jié)范圍擴展系統(tǒng)

作為大功率軍用計算機的冷卻分析和解決方案的真實示例，請考慮在一個 4U 機箱內安裝兩臺單板計算機的問題。當 L-3 Com ESD 需要堅固耐用的 4U 外殼來支持其關節(jié)范圍擴展 （JRE） 計劃時，機箱計劃工程師根據(jù) JRE 獨特的機械和環(huán)境系統(tǒng)要求設計了一個全面的解決方案。聯(lián)合射程擴展是一種硬件和軟件組合系統(tǒng)，它接收在特定作戰(zhàn)區(qū)域的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈路上傳輸?shù)膽?zhàn)場信息，然后將該信息轉發(fā)到位于視線以外點的另一個戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈路終端（DLT）。

機箱計劃的 JRE-DLT提供了兩臺雙處理器至強 XPT 單板計算機，一臺運行 Windows XP，另一臺運行 Solaris。由于在一個機箱中托管兩臺計算機會產(chǎn)生熱量水平，JRE-DLT機箱的補救措施是通過在機箱中安裝四個高速92毫米熱插拔風扇并密封氣流路徑以消除再循環(huán)來創(chuàng)建“空氣墻”。由于該系統(tǒng)用于非常骯臟的環(huán)境，因此在前門上提供了一對30 ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫過濾器。

該系統(tǒng)包括兩個獨立的背板，占據(jù)機箱的整個寬度。這決定了使用前置電源。系統(tǒng)功率要求在 450 W 時計算得出。使用效率為78%的前置電源，系統(tǒng)發(fā)熱量計算為576 W。目標溫升為15?∞F，目標系統(tǒng)氣流計算為121 CFM。每個風扇的額定值為 76 CFM，總氣流為 305 CFM 自由空氣額定值。系統(tǒng)阻抗將風扇輸出降低到大約 150 CFM，以流量裕量滿足目標系統(tǒng)冷卻參數(shù)。仔細注意機箱設計細節(jié)，特別是氣流路徑和風扇選擇，提供足夠的冷卻，以確保這種高功率系統(tǒng)的足夠性能和組件壽命。

當溫度升高時冷卻電子設備

懲罰性的熱環(huán)境和對可靠系統(tǒng)運行的需求需要仔細分析通過軍用計算機系統(tǒng)的氣流。如果工作溫度每升高10?∞C，組件壽命就會減半，那么必須通過最大化冷卻氣流來最大限度地降低組件溫度。最佳風扇選擇取決于底盤設計、空氣濾清器介質和已安裝組件所施加的流動阻力;此外，可以通過繪制機箱阻抗與風扇流量/壓力曲線來確定要使用的最佳風扇。只有通過包括冷卻在內的完整系統(tǒng)工程，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的運行潛力。

審核編輯：郭婷