加固计算机主机箱的自然散热和强迫风冷的两种热设计方法

前言

---作为信息系统的“中枢”，计算机在信息化战场上的作用和地位日益突出。为了保证计算机在复杂恶劣的战场环境中正常稳定地工作，需要对一般商用计算机进行特殊加固，以提高系统的稳定性和安全性。

---舰载军用加固计算机由主机和显示器组成，考虑到防震和抗冲击的需要，均采用铝合金加固的形式。由于显示器的发热量较小，采用自然散热的方式即可以保证其正常工作，因此热设计的重点是加固计算机的主机箱。计算机的主机箱是19英寸标准机箱，采用浮动螺母的方式固定在工作舱的通信指挥台下。机箱内的电源、CPU等器件分别焊接在不同的单盘上，各按照一定的顺序插入机箱背板。所有的信号线由背板后出线，连接到显示器上，组成军用加固计算机。舰载军用加固计算机需要具有防电磁干扰、防震、抗冲击、防水、防盐雾的能力，因此主机必须使用全密封封闭式机箱。而主机箱内有电源、CPU等高热器件，因此主机箱的热设计成为加固计算机能否正常工作的关键。

主机箱的热设计

● 加固计算机主机箱的热分析

---计算机在正常工作时，主机箱的功率约为200W。由于加固计算机主要工作在军舰的专业舱室内，其工作环境条件如表1所示。

---由上述设计和工作参数可知，虽然主机箱的功率并不大，但由于主机箱是一个完全密闭的腔体，腔内各单盘热量分布不均匀，长期工作后机箱内部温度上升很快。另外，考虑到主机箱与通信指挥台的安装和维护，主箱体外表面并没有设计成具有良好自然散热效果的肋片状，而实际工作环境较严酷，因此热设计按照最恶劣环境条件计算，需要采用自然散热和强迫风冷两种方式散热，保证电子器件正常工作。

● 自然散热

---在满足强度、刚度和良好的机加工性能的条件下，尽量选择具有较高导热系数的金属材料，提高箱体的散热能力。本机箱选择LY12型号的铝合金，机箱为整体式，壁厚20mm。

---在机箱中，电子元器件通常是热源，一般情况下是腔内的最热点。而热始终是从热区流向冷区，因此机箱内传热的基本问题是在热源和终端散热器之间提供良好的热流路径，散去内部产生的热量。

---加固计算机的单盘插入主机箱后，PCB板上下边沿与导轨之间存在着较大的间隙。由于空气的导热系数很低，实际上起到了隔热的作用。因此在PCB板上下边沿上安装铝质楔形块，如图1所示。

---由图1可知，楔形块是由螺钉、前滑块、固定块、后滑块、铝合金导轨组成。其中固定块与铝合金导轨是一个整体，固定在PCB板的上下边沿上。前后滑块与固定块相接触截面设计成为斜面，中间为中空的螺孔，螺孔中安装螺钉。当单盘插入机箱中时，松开螺钉，此时，前后滑块的左表面与箱体导轨之间存在间隙；当单盘插入机箱中背板后，紧定螺钉，则前后滑块将沿固定斜面向左运动，与箱体内导轨紧密接触。

---另外，在确定了单盘中发热量大的器件后，将导热双面胶带的一个面平贴在芯片（元件）上，另一个面平贴在散热器表面，然后通过导热双面胶带与楔形块联结，这样可有效减小PCB板和箱体的热阻，加大了导热面积，提高主机箱的自然散热效率。

● 强迫风冷散热

---由于加固计算机的主机箱是固定在工作舱的通信指挥台下，它的强迫风冷的方式不能采用一般的民用通信设备在机柜子架下方安装轴流式风机散热单元的方法。因此必须在加固计算机的主机箱内安装风机，并形成合理的风道来实现散热的目的，如图2所示。

---由于鼓风机具有风压大，风量集中的特点，特别适合单元内热量分布不均，风阻较大的场合，因此采用整机鼓风冷却形式。风机根据主机箱的结构形式采用圆筒式轴流风机。在主机箱上下盖板壁内构造风道，并将风道横截面设计成为多个圆形的互不相同的小孔。这样，环境温度下的冷空气在鼓风机驱动下从风道进风口沿着风道流动，将上下盖板的热量带走，通过风道出风口将热量排出机箱外，完成加固计算机的强迫风冷散热。虽然风阻较大，但选择合适功率的风机后，可以保证加固计算机具有良好的抗冲击和散热能力。根据热平衡方程和环境条件参数可以确定风机的型号以及风道的结构尺寸。

热试验和冲击试验

---为了验证热设计的效果，根据GJB367.2-82中401、402项的规定，对舰载军用加固计算机进行高低温环境试验，以保证加固计算机的性能要求，其中高温试验最为重要。高温热试验的具体结果见表2，该试验结果表明计算机的热设计符合GJB的要求，设备可以长期稳定可靠地工作。

---由于风道是设计在加固计算机上下盖板的内壁，在一定程度上破坏了加固计算机的强度，可能减弱其抗冲击能力，因此还必须按照GJB367.2-82中408项的规定，对计算机进行冲击性能和颠震性能试验。通过抗冲击和颠震试验，证明该加固计算机符合要求。

结束语

---热设计是电子设备设计中必须考虑的一个重要问题，但是良好的散热和电磁兼容往往是一对较难解决的矛盾。采用上述热设计方法，可以较好地解决这一问题。该方法具有设计简单、可靠性高、维护方便、研发和生产成本低的特点，对于舰载军用电子设备的热设计具有一定的借签作用。

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