國防和航空航天加固型系統市場需要在極端環境條件下提供廣泛的計算能力。總體而言，應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性。

需要定制電子外殼的用戶通常指定小批量運行（數量在1到15個單位之間），并在大約12-20周內進行生產交付;這種激進的交付計劃使沒有時間進行原型設計或測試。這些定制外殼的制造商完全依靠工程經驗以及結構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迭代多個場景;這不僅可以優化熱性能，還可以優化重量，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），高速背板和設計用于滿足特定用戶要求的電源。然后，設計人員用自己的電子設備套件或“有效載荷”填充外殼。然而，通常，機柜團隊很少獲得有關有效載荷的設計或最終功能的信息。通常，該團隊只知道子系統的整體尺寸、功率水平、環境條件以及電子卡安裝的溫度要求的規格。設計人員必須根據這些有限的系統細節，制定出一種能夠在給定功率水平下滿足所有環境條件下所需溫度的解決方案。

設計團隊經常面臨的另一個挑戰是，在許多情況下，外殼由第三方出售給最終客戶，而設計的外殼基本上充當組件，而不是產品級的完整系統。在這些情況下，外殼設計人員很少收到有關結果的反饋。

新設計給外殼帶來了壓力

隨著應用需要更多的處理能力，軍用嵌入式系統新設計的趨勢是從 VME 過渡到 OpenVPX 標準1。這些新的 OpenVPX 系統可以配置一系列新的處理元素，與幾年前的 VME 系統相比，實現了巨大的性能飛躍。隨著這種轉變，功耗也同樣巨大：典型的6U VME系統每個插槽的最大功耗為60 W，而典型的6U VPX系統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的挑戰。更換現有機箱中的背板并在最初為VME設計的機箱中運行VPX是不夠的，因為冷卻系統不足以散發產生的較高熱量。許多運行 VME 的系統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，外殼中要散發的熱量很容易超過 1 KW。將功率的增加與這些系統必須運行的惡劣環境條件相結合，熱管理成為項目中風險最高的因素之一。因此，最初對VME來說不是問題，因此對于基于VPX的項目的成功至關重要。因此，熱仿真必須是設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，但風冷系統（或空氣冷卻的傳導有效載荷系統）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，以及惡劣的沙塵環境 - 所有這些都增加了熱管理的難度。風機必須經過專門設計，不僅要滿足高工作溫度，還要采取特殊的預防措施來處理沙塵。必須對風冷系統進行過濾，并提供維護計劃，以便系統不會因過濾器堵塞引起的過熱而關閉。

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。空氣密度降低50%（大約20 kft高度）將導致同一cfm下的冷卻減少50%。

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

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

根據客戶規格和邊界條件，Curtiss-Wright的工程包裝集團設計和制造滿足性能要求和散熱要求的動力外殼。基于平臺上的冷卻系統，該小組設計了為風冷有效載荷，風冷傳導有效載荷，液冷傳導有效載荷以及幾種混合設計提供熱管理的外殼;例如，一個獨立的液冷式熱交換器，用于一套風冷有效載荷。

整個系統設計過程的第一步是定義系統所需的功能或能力。下一步是確定系統（和平臺）的物理約束，然后根據這些約束，選擇哪些現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。這是許多系統功能的結果，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的早期階段確定。經過初步的熱仿真結果，使用Mentor圖形FloTHERM散熱片設計（CFD）熱仿真軟件，表明可以滿足客戶的要求，機械設計過程就開始了。

設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。需要這種關注水平的一個設計方面是CFD優化。CFD仿真可以快速優化螺距、厚度、翅片數量或基底厚度。由于每個產品都是定制的，因此幾乎沒有機會進行設計重用。例如，冷卻壁（散熱器）幾何形狀是針對每個特定應用而設計的，以確保以最低的成本為每種產品提供最佳設計。雖然最終的解決方案可能與熱設計的起點相似，但它永遠不會完全相同。雖然通過消除早期原型、測試、評估和重新設計所節省的時間和成本很難衡量，但當交付計劃緊張時，任何和所有的時間節省都至關重要。

審核編輯：郭婷