冷卻是任何系統不可或缺的一部分，尤其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的可靠性。研究了描述電子元件壽命與溫度和系統氣流以及電感的方程。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空間的關鍵因素。然而，最終，環境問題通常會決定安裝在關鍵任務應用程序（如命令和控制、建模和模擬以及通信）中的集成計算平臺的成敗。用于軍事用途的計算機會受到廣泛的懲罰，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，組件壽命通常會縮短 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阿倫尼烏斯方程（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，該方程支持經驗法則，即組件溫度每升高 10 ?∞C 即可縮短組件壽命。因此，很容易看出，MTBF隨著溫度的任何升高而顯著下降，超出了原始計算。

提供足夠的冷卻，特別是對于當前戰區的大功率多處理器系統，需要一種嚴格的冷卻系統設計方法。最終結果是幾個較小貢獻的組合，其中任何一個貢獻的任何降級都會影響系統可靠性。

過濾掉環境

預計在超過 120 ?∞F 的環境溫度下運行的軍用級計算機將采用多個風扇，根據安裝的組件安裝在機箱前部或中心附近。這些配置可在大范圍內提供高氣流，并在機箱內提供正壓。將風扇安裝在機箱后部，作為排氣風扇在機箱內產生負壓，該負壓將通過機箱中的任何開口將未經過濾的臟空氣吸入。

應在入口路徑中安裝過濾器，以清除氣流中的污垢。即使是少量的污垢與水分結合，也會導電并導致間歇性操作。污垢充當隔熱體，即使少量污垢也會在一定程度上降低冷卻效果。大量污垢會完全遮擋處理器和芯片組散熱器中的通道，從而將冷卻量降低到這些設備所需冷卻的一小部分。任何絕緣效果都會提高組件溫度并導致壽命縮短。如果處理器因過熱而進入節流模式，則軟件操作也可能受到影響，自動降低時鐘速率以減少功耗和發熱。

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。應指定具有更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，使通過機箱的氣流幾乎為零。

一個重要的設計標準是完全密封風扇艙壁，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果。不僅通過機箱的氣流減少，而且通過機箱循環的空氣將比外部空氣更熱。這些開口不必很大，大約幾平方英寸的總面積，將通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少。

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。研究風扇定律，它描述了風扇速度、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，在相同的 RPM 下，一半大小的風扇將移動八分之一的空氣。或者，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，因此具有足夠流速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內運行并且有嚴格的噪聲限制時，這可能是一個關鍵因素。因此，考慮到空間限制，系統應設計為盡可能大的風扇。

表 2：計算已配置系統中的氣流要求

請注意，環境溫度不進入等式。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，但這的影響可以忽略不計。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20度，則內部溫度將上升相同的量。

確定風扇需求首先需要進行分析，以找到最高額定溫度最低的系統組件。通常，這是一個磁盤驅動器，但它們通常直接安裝在進入的氣流中，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。或者它可能是一個與最高工作溫度有小余量的處理器。因此，如果組件的限值為 125 ?∞F，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，風機也最多可以輸出其額定流量的 50% 到 60%。因此，在這種情況下，初始風扇選擇的起點為 300 CFM。

需要注意的重要一點是電源相對于氣流的位置。后置電源將直接從機箱后部排出熱空氣。前置電源將排入機箱。一般來說，開關電源的效率約為 70% 至 80%。這種低效率需要添加到總功耗計算中。例如，使用 500 W 的系統組件將導致系統總功耗為 500/.70 = 714 W，電源效率為 70%。這是用于 CFM 計算的數字，但僅適用于前置電源。

機箱流量阻抗

選擇風扇時的另一個挑戰是了解機箱流量阻抗，這將決定特定風扇可以通過特定外殼推動的空氣量。機箱流量阻抗定義為從進氣點到外殼再到排氣點的氣流阻力。排氣口、過濾介質、內部結構和安裝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配置存在無限變化，因此只能通過測量實際流量與所需壓力來識別阻抗。計算流體動力學（CFD）等數學工具可用于近似流動。但是，應執行實際機箱阻抗的測量，以驗證系統性能和 CFD 模型。

此外，壓力梯度驅動氣流。風扇前面有低壓，機箱外有較高的壓力，因此空氣流入機箱。風扇將壓力提升到高于環境溫度的水平，因此空氣隨后流入機箱后部并流出機箱后部。物理學表明，氣流與壓力的平方成正比。也就是說，使通過系統的流量加倍需要四倍的壓力。在所有條件相同的情況下，添加第二個風扇不會使流量加倍，但最多會增加 2 的平方根 （1.41） 或大約 40%。要將氣流加倍將需要四倍的壓力。

通過機箱的流量可以通過在機箱阻抗曲線上鋪設風扇曲線來近似確定。兩條曲線的交點給出了氣流。

圖 1 繪制了幾種不同機箱的阻抗曲線。具有高阻抗的限制性配置顯示為“A”，而開放式、通風良好的機箱顯示為 D.B 和 C 顯示具有中等阻抗范圍的機箱的阻抗曲線。一個風扇（黑線）、兩個串聯風扇（紅線）和兩個并聯風扇（藍線）疊加在阻抗曲線上。對于三種風扇配置，可以看到流過“D”機箱的空氣量，范圍從單個風扇的 66 CFM 到兩個串聯風扇的僅 71 CFM。兩個風扇并行時，顯示出對 92 CFM 的顯著改進。

圖1

從這張圖中可以明顯看出，對于具有高阻抗的機箱，兩個串聯的風扇可以提供更好的冷卻;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。

隨著風扇的增加，氣流增加，內部壓力也會增加，從而降低每個風扇的輸出。請注意，串聯中第二個風扇的風扇曲線只是復制單個風扇的曲線，每個壓力點的流量翻倍。沒有額外的壓力可用。這同樣適用于并聯風機，除了流量加倍而可用壓力不增加。

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，但兩個并聯的風扇會使流量加倍。在另一個極端，想象一個阻抗非常高的底盤，例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，因此不會有額外的空氣流動。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，因此風扇的選擇和配置是通過比較曲線來確定最佳流量的。另一個考慮因素是風扇不是線性設備，并且具有不穩定區域。根據曲線的交點仔細選擇風扇將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 需要一個堅固的 4U 機箱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，用于接收在特定行動區域的戰術數據鏈上傳輸的戰場信息，然后將該信息轉發到位于視線之外點的另一個戰術數據鏈終端（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，JRE-DLT 機箱的補救措施是通過在機箱中間安裝四個高速 92 mm 熱插拔風扇并密封氣流路徑以消除再循環來形成“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的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。這要求使用前置電源。系統功率要求在 450 W 時計算。使用效率為 78% 的前置電源，系統發熱計算為 576 W。目標溫升為 15 ?∞F 時，目標系統氣流計算為 121 CFM。每個風扇的額定功率為 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，滿足目標系統冷卻參數和流量裕度。仔細關注機箱設計細節，特別是氣流路徑和風扇選擇，提供了足夠的冷卻，以確保此大功率系統的足夠性能和組件壽命。

溫度升高時冷卻電子設備

惡劣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 即可將組件壽命減半，則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、空氣過濾介質和已安裝組件施加的流動阻力;此外，可以通過繪制機箱阻抗與風扇流量/壓力曲線的關系來確定最佳使用風扇。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