華北計(jì)算技術(shù)研究所 付 軍

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的溫控設(shè)計(jì)

華北計(jì)算技術(shù)研究所 付 軍

環(huán)境溫度是對(duì)電子計(jì)算機(jī)可靠性影響最大的環(huán)境條件，抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是軍工系統(tǒng)領(lǐng)域，軍用設(shè)備的運(yùn)行可靠性要求是至關(guān)重要的指標(biāo)，做好計(jì)算機(jī)工作環(huán)境溫度控制，是提高計(jì)算機(jī)可靠性有效措施。

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)；溫度控制；加熱；冷卻

一、引言

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部的溫度控制的目的是要為芯片級(jí)、元件級(jí)、組件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)提供良好的溫度環(huán)境，保證它們?cè)谝?guī)定的溫度環(huán)境下，能夠按照預(yù)定的條件穩(wěn)定、可靠的工作。溫度控制系統(tǒng)必須在規(guī)定的使用期內(nèi)，完成所規(guī)定的功能，并以最少的維護(hù)保證其正常工作的功能。

防止電子元器件的溫度失效是溫度控制的主要目的。溫度失效是指電子元器件直接由于環(huán)境溫度過高或者過低而導(dǎo)致完全失去其電氣功能的一種失效形式。嚴(yán)重的失效，在某種程度上取決于局部溫度場(chǎng)、電子元器件的工作過程和形式，因此，就需要正確地確定出現(xiàn)溫度失效的臨界溫度，而這個(gè)臨界溫度應(yīng)成為溫度控制系統(tǒng)的重要判據(jù)，在確定溫度控制方案時(shí)，電子元器件的最高允許溫度和最低允許溫度，以及元器件功耗應(yīng)作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

二、計(jì)算機(jī)的溫控設(shè)計(jì)需求

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)使用場(chǎng)所的溫度環(huán)境的可變性是溫度控制的一個(gè)必須考慮的重要因素，例如裝在室外移動(dòng)載體上的計(jì)算機(jī)在移動(dòng)過程中所處的地域的環(huán)境溫度差異很大。例如，東北地區(qū)深冬季節(jié)的氣溫和南方盛夏的氣溫差距極限值有100攝氏度。所以室外移動(dòng)載體上計(jì)算機(jī)內(nèi)的電子元器件所經(jīng)受的環(huán)境條件比地面室內(nèi)設(shè)備的環(huán)境條件惡劣得多，它們必須滿足不同環(huán)境溫度的要求，這就要求該計(jì)算機(jī)自身內(nèi)部有良好的溫度控制，通過箱體內(nèi)部加熱和降溫等相關(guān)措施，使得計(jì)算機(jī)內(nèi)部所有部件的工作溫度達(dá)到一個(gè)正常的溫度范圍。

飛機(jī)上的儀器設(shè)備，大多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的密封或非密封的ATR機(jī)箱，地面移動(dòng)載體，例如方艙等采用的設(shè)備箱體以19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱為主。由于箱體材料選用的都是以合金鋁材為主，其導(dǎo)熱性很好，所以不論采用哪種標(biāo)準(zhǔn)的箱體，箱體本身不能對(duì)計(jì)算機(jī)工作的環(huán)境溫度起到任何隔熱、或者熱平衡的作用，必須通過內(nèi)部加載加熱期間和導(dǎo)熱裝置來實(shí)現(xiàn)溫度的預(yù)期平衡。

需要進(jìn)行溫度控制的各類抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)，在溫控設(shè)計(jì)時(shí)，必須同時(shí)注意對(duì)連續(xù)工作和取決于運(yùn)載工具與任務(wù)的首次平均故障時(shí)間（MTTF）的要求，MTTF反應(yīng)了設(shè)備的可靠性。各種運(yùn)載工具的額定時(shí)間需要考慮攜帶的燃料、通信與控制的最大距離及作用范圍等。

三、抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)溫度控制基本原則

1.溫度控制的基本要求

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)溫度控制是設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)。由于溫度與元器件失效率的指數(shù)規(guī)律，隨溫度的升高，失效律迅速增加，因此，在進(jìn)行溫度設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先了解元器件的溫度特性，并根據(jù)GJB/Z299《抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》提供的元器件基本失效率值。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境的類別和元器件質(zhì)量等級(jí)等，預(yù)計(jì)元器件的工作失效率以及設(shè)備的可靠性。

2.溫度控制基本原則

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是通過溫度控制措施，使設(shè)備箱體內(nèi)部到達(dá)預(yù)設(shè)溫度的熱平衡，以便滿足設(shè)備的可靠性要求。

a.保證溫度控制系統(tǒng)具有良好的加熱功能和冷卻功能，即可用性。要保證設(shè)備內(nèi)的電子器件均能在規(guī)定的溫度環(huán)境中正常工作，每個(gè)元器件的配置必須符合安裝要求。

b.保證設(shè)備溫度控制系統(tǒng)的可靠性。在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)的故障率應(yīng)比元器件的故障率低。這說明對(duì)溫度控制系統(tǒng)的可靠性要求是相當(dāng)高的。特別是對(duì)一些強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，為保證設(shè)備正?？煽康毓ぷ?，常采用貯備方案，來保證冷卻系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)要在系統(tǒng)中裝有安全保護(hù)裝置，例如流量開關(guān)，溫度繼電器，壓力繼電器等。

c.溫度控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)中可調(diào)性必須留有余地，因?yàn)橛械脑O(shè)備在工作一段時(shí)間后，由于工程上的變化，可能會(huì)引起溫度損耗或流體流動(dòng)阻力的增加，則要求增大其散溫度能力，以便無須多大的變更就能增加其散溫度能力。

d.溫度控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的維修性。為了便于測(cè)試、維修和更換元件，設(shè)備中的關(guān)鍵元器件要易于接近和取放。

e.溫度控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性包括溫度控制系統(tǒng)的初次投資成本，日常運(yùn)行和維修費(fèi)用等。溫度控制系統(tǒng)的成本只占整個(gè)設(shè)備成本的一定比例。

設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的溫度控制系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮各方面因素，使其既能滿足溫度控制的要求，又能達(dá)到電氣性能指標(biāo)，所用的代價(jià)最小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠。

圖1 抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的溫度控制原理

圖2 恒溫箱體的內(nèi)部設(shè)計(jì)

四、抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)溫度控制方法

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的溫度控制，首先要從確定元器件或設(shè)備的正常工作所需的溫度作為預(yù)期，通過采取加熱和冷卻的方法，使箱體內(nèi)部的溫度達(dá)到預(yù)期的溫度。原理圖如圖1所示。

1.溫控模型的建立

溫控系統(tǒng)模型分為兩部分，一部分是控制主體，類似于計(jì)算機(jī)的CPU，生成溫度控制指令；另一部分為恒溫空間，即為計(jì)算機(jī)或者其他設(shè)備工作的空間環(huán)境。該恒溫空間是一個(gè)隔熱箱體，加熱棒和制冷片都在箱體內(nèi)部，通過在箱體內(nèi)部設(shè)置多個(gè)溫度采集點(diǎn)，箱體內(nèi)部的加熱棒的工作與否和制冷片的工作與否，都是通過外部溫控模塊進(jìn)行控制，溫控模塊通過采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)溫度條件，決定是否加熱或者制冷，溫控模塊的運(yùn)算方式是采用差補(bǔ)插值的算法進(jìn)行計(jì)算，通過DSP軟件控制，由計(jì)算機(jī)通用串口給出控制信號(hào)。溫控模塊安裝在溫控箱體外部，操作按鈕和顯示部分安裝在溫控模塊的前面板上，箱體內(nèi)部溫度可以通過前面板設(shè)置按鈕進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，加熱和制冷的效率需要根據(jù)內(nèi)部設(shè)備的實(shí)際工作功耗進(jìn)行試驗(yàn)。溫控箱內(nèi)部的加熱裝置和制冷裝置分別用加熱棒和制冷片來實(shí)現(xiàn)。恒溫箱體的內(nèi)部設(shè)計(jì)有通風(fēng)風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)用于設(shè)備箱體內(nèi)部的熱傳遞，如圖2所示。

2.冷卻措施

冷卻方法的選擇直接影響元器件或設(shè)備的組裝設(shè)計(jì)、可靠性、重量和成本等。要有效地控制元器件或設(shè)備的溫度，必須首先確定它們的發(fā)溫度量、與散溫度有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸、工作環(huán)境條件及其它特殊要求（如密封、氣壓等）。

設(shè)備內(nèi)部元器件的冷卻方法應(yīng)使發(fā)溫度元器件與被冷卻表面或散溫度器之間有一條低溫度阻的傳溫度路徑，冷卻方法應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠性維修性好、成本低等。利用金屬導(dǎo)溫度是最基本的傳溫度方法，其溫度路容易控制。而輻射換溫度則需要較高的溫差，且傳溫度路徑不易控制。對(duì)流換溫度需要較大的換溫度面積，在安裝密度較高的設(shè)備內(nèi)部難以滿足要求。

冷卻方法確定后，應(yīng)仔細(xì)研究抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)中各類電子元器件的溫度安裝方案和設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)形式。從溫度控制要求出發(fā)，應(yīng)盡量減小傳溫度路徑的溫度阻，合理分配各個(gè)傳溫度環(huán)節(jié)的溫度阻值。正確布置發(fā)溫度元件與溫度敏元件的位置及間距。注意印制板組裝件的放置方向和它們的間距，保證冷卻氣流均勻流過發(fā)溫度元器件，形成合理的氣流通路。

隨著變化多端的需求和受限的空間，一種冷卻方法并不能解決所有散溫度問題，每一種方案都會(huì)帶來自身的障礙和挑戰(zhàn)，同時(shí)需要冷卻方法集成系統(tǒng)的內(nèi)部和外部的其他因素。最好的解決方案是一種綜合化的能力，這種方法使得工程師在綜合考慮軍用計(jì)算機(jī)性能和成本時(shí)就顯得游刃有余。了解整個(gè)系統(tǒng)后，對(duì)確定選擇最佳的冷卻方法相當(dāng)重要。未來仍存在挑戰(zhàn)，隨著芯片封裝尺寸進(jìn)一步縮小，

軍用計(jì)算機(jī)的機(jī)箱也會(huì)進(jìn)一步減小。較小的機(jī)箱將會(huì)限制機(jī)箱的外表面，因此溫度管理的重點(diǎn)是如何選擇選擇最佳的冷卻方法。對(duì)于一個(gè)軍用計(jì)算機(jī)來說，溫度管理方案不再可能是一個(gè)單一的解決冷卻方法，一個(gè)解決方案上采用可能是一個(gè)混合冷卻方法。這種方法可能要混用多種冷卻方法使得計(jì)算機(jī)的溫度性能得到優(yōu)化。

3.加熱措施

箱體內(nèi)部加熱措施相對(duì)成熟簡(jiǎn)單，因?yàn)樗衅骷墓ぷ鞫际峭ㄟ^加電工作的，所以每個(gè)器件工作過程中都會(huì)發(fā)熱?？梢杂行岣咴骷車h(huán)境的溫度。另外電加熱的技術(shù)也非常成熟，例如陶瓷加熱棒、加熱膜等都是很有效額加熱方式。

五、結(jié)論

對(duì)于軍用環(huán)境來說，溫度控制技術(shù)在抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日漸廣泛。但很多客觀條件限制了溫控系統(tǒng)中冷卻方法的有效使用。例如更多的電子元器件安裝到更狹小的空間內(nèi)，計(jì)算機(jī)平臺(tái)的熱密度在不斷增加。之外，計(jì)算機(jī)還應(yīng)該能夠承受沙塵、鹽霧、濕熱以及70℃高溫等氣候環(huán)境的要求。因此，在抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用有效的溫控措施，對(duì)局部氣候因素采取有效的調(diào)節(jié)手段，還需要綜合應(yīng)用多方面的技術(shù)，其可靠性指標(biāo)才會(huì)得以保證。

[1]齊產(chǎn)峰.軍用計(jì)算機(jī)熱管理綜述[J].航空計(jì)算技術(shù),第39卷第5期.

[2]丁小東.電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J].環(huán)境技術(shù),2001(3).

[3]齊永強(qiáng),何雅玲,張偉等.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的初步研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003,26(1).

[4]陳沽茹,朱敏波,齊穎.Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用．

付軍，男，學(xué)士，工程師，主要從事惡劣環(huán)境適應(yīng)性軍用電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)。