满足当今外壳设计具有挑战性的性能和散热要求

国防和航空航天加固型系统市场需要在极端环境条件下提供广泛的计算能力。总体而言，应用程序需要更多的处理能力;不可避免的是，随着处理能力的增长，热管理变得越来越具有挑战性。

需要定制电子外壳的用户通常指定小批量运行（数量在1到15个单位之间），并在大约12-20周内进行生产交付;这种激进的交付计划使没有时间进行原型设计或测试。这些定制外壳的制造商完全依靠工程经验以及结构和热仿真来满足客户的要求。最先进的仿真工具使外壳制造商能够在短时间内迭代多个场景;这不仅可以优化热性能，还可以优化重量，降低噪音，降低成本和进度。

通常提供的是金属外壳（通常是钎焊铝），高速背板和设计用于满足特定用户要求的电源。然后，设计人员用自己的电子设备套件或“有效载荷”填充外壳。然而，通常，机柜团队很少获得有关有效载荷的设计或最终功能的信息。通常，该团队只知道子系统的整体尺寸、功率水平、环境条件以及电子卡安装的温度要求的规格。设计人员必须根据这些有限的系统细节，制定出一种能够在给定功率水平下满足所有环境条件下所需温度的解决方案。

设计团队经常面临的另一个挑战是，在许多情况下，外壳由第三方出售给最终客户，而设计的外壳基本上充当组件，而不是产品级的完整系统。在这些情况下，外壳设计人员很少收到有关结果的反馈。

新设计给外壳带来了压力

随着应用需要更多的处理能力，军用嵌入式系统新设计的趋势是从 VME 过渡到 OpenVPX 标准1。这些新的 OpenVPX 系统可以配置一系列新的处理元素，与几年前的 VME 系统相比，实现了巨大的性能飞跃。随着这种转变，功耗也同样巨大：典型的6U VME系统每个插槽的最大功耗为60 W，而典型的6U VPX系统每个插槽的功耗高达200 W。

这一变化是机柜热管理中一个持续的挑战。更换现有机箱中的背板并在最初为VME设计的机箱中运行VPX是不够的，因为冷却系统不足以散发产生的较高热量。许多运行 VME 的系统通常甚至不考虑热分析或仿真，因为功率水平太低。然而，随着 VPX 和多个插槽的出现，外壳中要散发的热量很容易超过 1 KW。将功率的增加与这些系统必须运行的恶劣环境条件相结合，热管理成为项目中风险最高的因素之一。因此，最初对VME来说不是问题，因此对于基于VPX的项目的成功至关重要。因此，热仿真必须是设计过程的重要组成部分。

许多因素会影响加固型电子外壳的热管理，但风冷系统（或空气冷却的传导有效载荷系统）的主要因素是工作温度。许多地面平台需要在极高的温度条件下运行，以及恶劣的沙尘环境 - 所有这些都增加了热管理的难度。风机必须经过专门设计，不仅要满足高工作温度，还要采取特殊的预防措施来处理沙尘。必须对风冷系统进行过滤，并提供维护计划，以便系统不会因过滤器堵塞引起的过热而关闭。

另一个重要的考虑因素是工作高度。随着海拔高度的增加，空气密度降低，空气移动器的冷却能力降低相同量。空气密度降低50%（大约20 kft高度）将导致同一cfm下的冷却减少50%。

由于这些外壳主要用于军事应用，因此环境条件可能会有很大差异，并且通常是极端的。新产品通常是针对较旧的现有设备进行改造，并且新的更高功率的外壳必须由现有的平台冷却系统进行冷却。通常，新设计需要满足其所替换系统不需要的规格，并且过去有效的方法对于替换系统来说可能足够，也可能不够。

设计团队（包括热工和机械工程师）面临的挑战是在很短的时间内满足客户的所有要求。由于所得系统必须执行的环境条件恶劣，并且所需的功率水平通常很高，因此热仿真至关重要。

根据客户规格和边界条件，Curtiss-Wright的工程包装集团设计和制造满足性能要求和散热要求的动力外壳。基于平台上的冷却系统，该小组设计了为风冷有效载荷，风冷传导有效载荷，液冷传导有效载荷以及几种混合设计提供热管理的外壳;例如，一个独立的液冷式热交换器，用于一套风冷有效载荷。

整个系统设计过程的第一步是定义系统所需的功能或能力。下一步是确定系统（和平台）的物理约束，然后根据这些约束，选择哪些现有模块可以提供所需的功能。

通常，机柜空间由机械约束决定，这些约束在报价阶段未完全定义。这是许多系统功能的结果，例如I / O连接，布线和空气充气分配，这些功能可能尚未在开发的早期阶段确定。经过初步的热仿真结果，使用Mentor图形FloTHERM散热片设计（CFD）热仿真软件，表明可以满足客户的要求，机械设计过程就开始了。

设计工程和热工程团队之间通常会进行多次迭代，以达到最终解决方案。需要这种关注水平的一个设计方面是CFD优化。CFD仿真可以快速优化螺距、厚度、翅片数量或基底厚度。由于每个产品都是定制的，因此几乎没有机会进行设计重用。例如，冷却壁（散热器）几何形状是针对每个特定应用而设计的，以确保以最低的成本为每种产品提供最佳设计。虽然最终的解决方案可能与热设计的起点相似，但它永远不会完全相同。虽然通过消除早期原型、测试、评估和重新设计所节省的时间和成本很难衡量，但当交付计划紧张时，任何和所有的时间节省都至关重要。

审核编辑：郭婷