提高空气冷却的有效性

冷却是任何系统不可或缺的一部分，尤其是在恶劣环境中使用的系统。David讨论了应用于安装在军事环境中的工业计算机的冷却系统参数，其中高环境温度和空气中的灰尘会影响系统的可靠性。研究了描述电子元件寿命与温度和系统气流以及电感的方程。还介绍了一个案例研究，说明内部系统温度考虑因素至关重要。

系统软件性能仍然是嵌入式军事空间的关键因素。然而，最终，环境问题通常会决定安装在关键任务应用程序（如命令和控制、建模和模拟以及通信）中的集成计算平台的成败。用于军事用途的计算机会受到广泛的惩罚，包括环境温度升高。虽然冲击、振动和电能质量通常会导致立即故障，但在高温下运行更为隐蔽，从而缩短了系统的平均故障间隔时间 （MTBF）。研究表明，工作温度每升高 10 ¬∞C，组件寿命通常会缩短 40% 至 50%。因此，尽可能降低计算机系统内所有组件的温度至关重要。过滤环境、计算气流和考虑阻抗对于克服这一挑战至关重要。

高温挑战

在了解温度升高的影响时，系统预期寿命随着温度的升高呈指数级下降。这种降解的程度通常由阿伦尼乌斯方程（下图）控制，该方程描述了组件年龄如何随着温度的升高而加速。

表 1：阿伦尼乌斯方程

简化后，该方程支持经验法则，即组件温度每升高 10 ¬∞C 即可缩短组件寿命。因此，很容易看出，MTBF随着温度的任何升高而显着下降，超出了原始计算。

提供足够的冷却，特别是对于当前战区的大功率多处理器系统，需要一种严格的冷却系统设计方法。最终结果是几个较小贡献的组合，其中任何一个贡献的任何降级都会影响系统可靠性。

过滤掉环境

预计在超过 120 ¬∞F 的环境温度下运行的军用级计算机将采用多个风扇，根据安装的组件安装在机箱前部或中心附近。这些配置可在大范围内提供高气流，并在机箱内提供正压。将风扇安装在机箱后部，作为排气风扇在机箱内产生负压，该负压将通过机箱中的任何开口将未经过滤的脏空气吸入。

应在入口路径中安装过滤器，以清除气流中的污垢。即使是少量的污垢与水分结合，也会导电并导致间歇性操作。污垢充当隔热体，即使少量污垢也会在一定程度上降低冷却效果。大量污垢会完全遮挡处理器和芯片组散热器中的通道，从而将冷却量降低到这些设备所需冷却的一小部分。任何绝缘效果都会提高组件温度并导致寿命缩短。如果处理器因过热而进入节流模式，则软件操作也可能受到影响，自动降低时钟速率以减少功耗和发热。

过滤介质和尺寸的规格很重要，因为过滤器会减少通过系统的气流。需要权衡过滤器效率与气流，以确保足够的系统冷却流量。应指定具有更高压力能力的风扇与过滤器一起使用。过滤器也需要定期清洁，因为被困的污垢会增加过滤器的压降。过滤器可能会完全堵塞，使通过机箱的气流几乎为零。

一个重要的设计标准是完全密封风扇舱壁，包括电缆通道，以防止机箱内的空气再循环。密封不当会使机箱后部的高压热空气循环到风扇的入口侧，从而显着降低冷却效果。不仅通过机箱的气流减少，而且通过机箱循环的空气将比外部空气更热。这些开口不必很大，大约几平方英寸的总面积，将通过机箱的气流减少到几乎为零。结果是机箱仅通过皮肤冷却不良，并且通过电源的流量很少。

计算气流

要考虑的一个因素是使用较小风扇的影响，例如在必须降低机箱高度的情况下。较小的风扇以非线性方式提供减少的气流。研究风扇定律，它描述了风扇速度、流量、压力和功率之间的基本关系，显示 Q ~ ND3，其中 Q 是气流，N 是速度，D 是直径。因此，气流由叶片直径立方控制。也就是说，在相同的 RPM 下，一半大小的风扇将移动八分之一的空气。或者，理论上半尺寸风扇的旋转速度必须快八倍才能提供相同数量的空气。但是，风扇速度存在限制，因此具有足够流速的风扇可能无法用于大功率系统。高速风扇的声音更大，频率越高，它们看起来更嘈杂。当多个系统在密闭空间内运行并且有严格的噪声限制时，这可能是一个关键因素。因此，考虑到空间限制，系统应设计为尽可能大的风扇。

表 2：计算已配置系统中的气流要求

请注意，环境温度不进入等式。由于密度较低，较高的环境温度会在一定程度上降低风扇的输出，但这的影响可以忽略不计。环境温度很重要，因为它提供了系统温度的基线。如果环境温度比测试温度高20度，则内部温度将上升相同的量。

确定风扇需求首先需要进行分析，以找到最高额定温度最低的系统组件。通常，这是一个磁盘驱动器，但它们通常直接安装在进入的气流中，而不是由其他系统组件加热。但它也可能是一个插件卡，将安装在热处理器的附近和下游。或者它可能是一个与最高工作温度有小余量的处理器。因此，如果组件的限值为 125 ¬∞F，并且系统将在 115 ¬∞F 的环境温度下使用，那么保守地说，通过系统的允许温升将为 10 ¬∞F。

表 3：通过系统的气流

这是通过系统的气流，而不是风扇的自由额定值。即使在设计良好的系统中，风机也最多可以输出其额定流量的 50% 到 60%。因此，在这种情况下，初始风扇选择的起点为 300 CFM。

需要注意的重要一点是电源相对于气流的位置。后置电源将直接从机箱后部排出热空气。前置电源将排入机箱。一般来说，开关电源的效率约为 70% 至 80%。这种低效率需要添加到总功耗计算中。例如，使用 500 W 的系统组件将导致系统总功耗为 500/.70 = 714 W，电源效率为 70%。这是用于 CFM 计算的数字，但仅适用于前置电源。

机箱流量阻抗

选择风扇时的另一个挑战是了解机箱流量阻抗，这将决定特定风扇可以通过特定外壳推动的空气量。机箱流量阻抗定义为从进气点到外壳再到排气点的气流阻力。排气口、过滤介质、内部结构和安装组件的尺寸和数量都有助于增加阻抗。由于底盘设计和安装组件配置存在无限变化，因此只能通过测量实际流量与所需压力来识别阻抗。计算流体动力学（CFD）等数学工具可用于近似流动。但是，应执行实际机箱阻抗的测量，以验证系统性能和 CFD 模型。

此外，压力梯度驱动气流。风扇前面有低压，机箱外有较高的压力，因此空气流入机箱。风扇将压力提升到高于环境温度的水平，因此空气随后流入机箱后部并流出机箱后部。物理学表明，气流与压力的平方成正比。也就是说，使通过系统的流量加倍需要四倍的压力。在所有条件相同的情况下，添加第二个风扇不会使流量加倍，但最多会增加 2 的平方根 （1.41） 或大约 40%。要将气流加倍将需要四倍的压力。

通过机箱的流量可以通过在机箱阻抗曲线上铺设风扇曲线来近似确定。两条曲线的交点给出了气流。

图 1 绘制了几种不同机箱的阻抗曲线。具有高阻抗的限制性配置显示为“A”，而开放式、通风良好的机箱显示为 D.B 和 C 显示具有中等阻抗范围的机箱的阻抗曲线。一个风扇（黑线）、两个串联风扇（红线）和两个并联风扇（蓝线）叠加在阻抗曲线上。对于三种风扇配置，可以看到流过“D”机箱的空气量，范围从单个风扇的 66 CFM 到两个串联风扇的仅 71 CFM。两个风扇并行时，显示出对 92 CFM 的显着改进。

图1

从这张图中可以明显看出，对于具有高阻抗的机箱，两个串联的风扇可以提供更好的冷却;同时，对于低阻抗的开放式机箱，两个风扇并联流动更好。B和C曲线显示串联和并联风扇安装之间的差异很小，尽管与单个风扇相比有所改进。

请注意，D 阻抗曲线在风扇不稳定区域与平行风扇曲线（蓝线）相交，其中压力的微小变化对气流有很大影响。在这种情况下，将指示选择不同的风扇，以确保更确定的气流。

随着风扇的增加，气流增加，内部压力也会增加，从而降低每个风扇的输出。请注意，串联中第二个风扇的风扇曲线只是复制单个风扇的曲线，每个压力点的流量翻倍。没有额外的压力可用。这同样适用于并联风机，除了流量加倍而可用压力不增加。

为了可视化这对底盘流量的影响，想象一个零阻抗的底盘，本质上是一个开放的盒子。由于没有背压，串联的两个风扇不会比单个风扇移动更多的空气，但两个并联的风扇会使流量加倍。在另一个极端，想象一个阻抗非常高的底盘，例如一个只有一个小开口的封闭盒子。两个并联的风扇不会增加压力，因此不会有额外的空气流动。另一方面，两个串联的风扇将使压力加倍，使通过系统的流量增加 40%。在现实世界中，机箱阻抗介于这些极端之间，因此风扇的选择和配置是通过比较曲线来确定最佳流量的。另一个考虑因素是风扇不是线性设备，并且具有不稳定区域。根据曲线的交点仔细选择风扇将防止在这些不稳定区域运行，并最大限度地提高通过系统的流量。

案例研究：4U 关节范围扩展系统

作为大功率军用计算机冷却分析和解决方案的真实示例，请考虑在一个 4U 机箱内安装两台单板计算机的问题。当 L-3 Com ESD 需要一个坚固的 4U 机箱来支持其关节范围扩展 （JRE） 计划时，机箱计划工程师根据 JRE 独特的机械和环境系统要求设计了一个全面的解决方案。联合射程扩展是一种硬件和软件组合系统，用于接收在特定行动区域的战术数据链上传输的战场信息，然后将该信息转发到位于视线之外点的另一个战术数据链终端（DLT）。

机箱计划的JRE-DLT提供了两台双处理器至强XPT单板计算机，一台运行Windows XP，另一台运行Solaris。由于在一个机箱中托管两台计算机会产生热量，JRE-DLT 机箱的补救措施是通过在机箱中间安装四个高速 92 mm 热插拔风扇并密封气流路径以消除再循环来形成“空气墙”。由于该系统用于非常肮脏的环境，因此在前门上提供了一对30 ppi的网状聚氨酯泡沫过滤器。

该系统包括两个独立的背板，占据机箱的整个宽度。这要求使用前置电源。系统功率要求在 450 W 时计算。使用效率为 78% 的前置电源，系统发热计算为 576 W。目标温升为 15 ¬∞F 时，目标系统气流计算为 121 CFM。每个风扇的额定功率为 76 CFM，总气流为 305 CFM 自由空气额定值。系统阻抗将风扇输出降低到大约 150 CFM，满足目标系统冷却参数和流量裕度。仔细关注机箱设计细节，特别是气流路径和风扇选择，提供了足够的冷却，以确保此大功率系统的足够性能和组件寿命。

温度升高时冷却电子设备

恶劣的热环境和对可靠系统运行的需求需要仔细分析通过军用计算机系统的气流。如果工作温度每升高 10 ¬∞C 即可将组件寿命减半，则必须通过最大化冷却气流来最大限度地降低组件温度。最佳风扇选择取决于底盘设计、空气过滤介质和已安装组件施加的流动阻力;此外，可以通过绘制机箱阻抗与风扇流量/压力曲线的关系来确定最佳使用风扇。只有通过包括冷却在内的完整系统工程，才能实现系统的运行潜力。

审核编辑：郭婷