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    艦載軍用加固計算機的熱設計

    2007-03-20 上海控易電子科技有限公司控易電子摘 要:提出了艦載軍用加固機散熱設計的解決方案,該方案具有設計簡單、可靠、經濟的特點。關鍵詞

    艦載軍用加固計算機的熱設計
    作者:控易電子 

    摘 要:提出了艦載軍用加固機散熱設計的解決方案,該方案具有設計簡單、可靠、經濟的特點。
    關鍵詞:軍用加固計算機;自然散熱;強迫風冷;熱設計
    前言
    ---作為信息系統的“中樞”,計算機在信息化戰場上的作用和地位日益突出。為了保證計算機在復雜惡劣的戰場環境中正常穩定地工作,需要對一般商用計算機進行特殊加固,以提高系統的穩定性和安全性。
    ---艦載軍用加固計算機由主機和顯示器組成,考慮到防震和抗沖擊的需要,均采用鋁合金加固的形式。由于顯示器的發熱量較小,采用自然散熱的方式即可以保證其正常工作,因此熱設計的重點是加固計算機的主機箱。計算機的主機箱是19英寸標準機箱,采用浮動螺母的方式固定在工作艙的通信指揮臺下。機箱內的電源、CPU等器件分別焊接在不同的單盤上,各按照一定的順序插入機箱背板。所有的信號線由背板后出線,連接到顯示器上,組成軍用加固計算機。艦載軍用加固計算機需要具有防電磁干擾、防震、抗沖擊、防水、防鹽霧的能力,因此主機必須使用全密封封閉式機箱。而主機箱內有電源、CPU等高熱器件,因此主機箱的熱設計成為加固計算機能否正常工作的關鍵。
    主機箱的熱設計

    ● 加固計算機主機箱的熱分析
    ---計算機在正常工作時,主機箱的功率約為200W。由于加固計算機主要工作在軍艦的專業艙室內,其工作環境條件如表1所示。
    ---由上述設計和工作參數可知,雖然主機箱的功率并不大,但由于主機箱是一個完全密閉的腔體,腔內各單盤熱量分布不均勻,長期工作后機箱內部溫度上升很快。另外,考慮到主機箱與通信指揮臺的安裝和維護,主箱體外表面并沒有設計成具有良好自然散熱效果的肋片狀,而實際工作環境較嚴酷,因此熱設計按照最惡劣環境條件計算,需要采用自然散熱和強迫風冷兩種方式散熱,保證電子器件正常工作。

    ● 自然散熱
    ---在滿足強度、剛度和良好的機加工性能的條件下,盡量選擇具有較高導熱系數的金屬材料,提高箱體的散熱能力。本機箱選擇LY12型號的鋁合金,機箱為整體式,壁厚20mm。
    ---在機箱中,電子元器件通常是熱源,一般情況下是腔內的最熱點。而熱始終是從熱區流向冷區,因此機箱內傳熱的基本問題是在熱源和終端散熱器之間提供良好的熱流路徑,散去內部產生的熱量。
    ---加固計算機的單盤插入主機箱后,PCB板上下邊沿與導軌之間存在著較大的間隙。由于空氣的導熱系數很低,實際上起到了隔熱的作用。因此在PCB板上下邊沿上安裝鋁質楔形塊,

    如圖1所示。
    ---由圖1可知,楔形塊是由螺釘、前滑塊、固定塊、后滑塊、鋁合金導軌組成。其中固定塊與鋁合金導軌是一個整體,固定在PCB板的上下邊沿上。前后滑塊與固定塊相接觸截面設計成為斜面,中間為中空的螺孔,螺孔中安裝螺釘。當單盤插入機箱中時,松開螺釘,此時,前后滑塊的左表面與箱體導軌之間存在間隙;當單盤插入機箱中背板后,緊定螺釘,則前后滑塊將沿固定斜面向左運動,與箱體內導軌緊密接觸。
    ---另外,在確定了單盤中發熱量大的器件后,將導熱雙面膠帶的一個面平貼在芯片(元件)上,另一個面平貼在散熱器表面,然后通過導熱雙面膠帶與楔形塊聯結,這樣可有效減小PCB板和箱體的熱阻,加大了導熱面積,提高主機箱的自然散熱效率。

    ● 強迫風冷散熱
    ---由于加固計算機的主機箱是固定在工作艙的通信指揮臺下,它的強迫風冷的方式不能采用一般的民用通信設備在機柜子架下方安裝軸流式風機散熱單元的方法。因此必須在加固計算機的主機箱內安裝風機,并形成合理的風道來實現散熱的目的,

    如圖2所示。
    ---由于鼓風機具有風壓大,風量集中的特點,特別適合單元內熱量分布不均,風阻較大的場合,因此采用整機鼓風冷卻形式。風機根據主機箱的結構形式采用圓筒式軸流風機。在主機箱上下蓋板壁內構造風道,并將風道橫截面設計成為多個圓形的互不相同的小孔。這樣,環境溫度下的冷空氣在鼓風機驅動下從風道進風口沿著風道流動,將上下蓋板的熱量帶走,通過風道出風口將熱量排出機箱外,完成加固計算機的強迫風冷散熱。雖然風阻較大,但選擇合適功率的風機后,可以保證加固計算機具有良好的抗沖擊和散熱能力。根據熱平衡方程和環境條件參數可以確定風機的型號以及風道的結構尺寸。
    熱試驗和沖擊試驗
    ---為了驗證熱設計的效果,根據GJB367.2-82中401、402項的規定,對艦載軍用加固計算機進行高低溫環境試驗,以保證加固計算機的性能要求,其中高溫試驗最為重要。高溫熱試驗的具體結果見表2,該試驗結果表明計算機的熱設計符合GJB的要求,設備可以長期穩定可靠地工作。
    ---由于風道是設計在加固計算機上下蓋板的內壁,在一定程度上破壞了加固計算機的強度,可能減弱其抗沖擊能力,因此還必須按照GJB367.2-82中408項的規定,對計算機進行沖擊性能和顛震性能試驗。通過抗沖擊和顛震試驗,證明該加固計算機符合要求。
    結束語
    ---熱設計是電子設備設計中必須考慮的一個重要問題,但是良好的散熱和電磁兼容往往是一對較難解決的矛盾。采用上述熱設計方法,可以較好地解決這一問題。該方法具有設計簡單、可靠性高、維護方便、研發和生產成本低的特點,對于艦載軍用電子設備的熱設計具有一定的借簽作用

     




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