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

系統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，包括環境溫度升高。雖然沖擊、振動和電能質量通常會導致立即發生故障，但在高溫下運行更為隱蔽，從而縮短了系統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內所有組件的溫度至關重要。過濾環境，計算氣流和考慮阻抗對于克服這一挑戰至關重要。

高溫挑戰

在了解溫度升高的影響時，系統預期壽命隨著溫度的升高呈指數級下降。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，特別是對于當前戰場中的大功率多處理器系統，需要一種嚴謹的冷卻系統設計方法。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可靠性。

過濾掉環境

預計在環境溫度超過120?∞F的環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生負壓，從而將未經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生。

過濾介質和尺寸的規格很重要，因為過濾器會減少通過系統的氣流。需要權衡過濾器效率與氣流，以確保足夠的系統冷卻流量。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。密封不當會使機箱后部的高壓熱空氣循環到風扇的入口側，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?，理論上，半尺寸風扇的旋轉速度必須快八倍才能提供相同數量的空氣。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。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，系統應盡可能使用最大的風扇進行設計。

表 2：計算已配置系統中的氣流要求

請注意，環境溫度不計入等式。由于密度較低，較高的環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。環境溫度很重要，因為它提供了系統溫度的基線。如果環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，并且系統將在115?∞F的環境溫度下使用，那么保守地說，通過系統的允許溫升將為10?∞F。

表 3：通過系統的氣流

這是通過系統的氣流，而不是風扇的自由額定值。即使在設計良好的系統中，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的系統組件將導致總系統功耗為500/.70 = 714 W，效率為70%。這是用于 CFM 計算的數字，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）、兩個串聯風扇（紅線）和兩個并聯風扇（藍線）。對于三種風扇配置，可以看到流經“D”機箱的空氣量，從單個風扇的66 CFM到串聯的兩個風扇的71 CFM不等。兩個風扇并聯顯示對 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，兩個風扇并聯流動更好。B和C曲線顯示串聯和并聯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定區域與平行風扇曲線（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，串聯的兩個風扇不會比單個風扇移動更多的空氣，但并聯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，兩個串聯的風扇將使壓力加倍，使通過系統的流量增加40%。在現實世界中，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，并且具有不穩定的區域。根據曲線的交點仔細選擇風扇，可以防止在這些不穩定區域運行，并最大限度地提高通過系統的流量。

案例研究：4U 關節范圍擴展系統

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 外殼來支持其關節范圍擴展 （JRE） 計劃時，機箱計劃工程師根據 JRE 獨特的機械和環境系統要求設計了一個全面的解決方案。聯合射程擴展是一種硬件和軟件組合系統，它接收在特定作戰區域的戰術數據鏈路上傳輸的戰場信息，然后將該信息轉發到位于視線以外點的另一個戰術數據鏈路終端（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來創建“空氣墻”。由于該系統用于非常骯臟的環境，因此在前門上提供了一對30 ppi網狀聚氨酯泡沫過濾器。

該系統包括兩個獨立的背板，占據機箱的整個寬度。這決定了使用前置電源。系統功率要求在 450 W 時計算得出。使用效率為78%的前置電源，系統發熱量計算為576 W。目標溫升為15?∞F，目標系統氣流計算為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冷卻參數。仔細注意機箱設計細節，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

懲罰性的熱環境和對可靠系統運行的需求需要仔細分析通過軍用計算機系統的氣流。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工程，才能實現系統的運行潛力。

審核編輯：郭婷