抗惡劣環境計算機的溫控設計

華北計算技術研究所 付 軍

抗惡劣環境計算機的溫控設計

華北計算技術研究所 付 軍

環境溫度是對電子計算機可靠性影響最大的環境條件，抗惡劣環境計算機的主要應用領域是軍工系統領域，軍用設備的運行可靠性要求是至關重要的指標，做好計算機工作環境溫度控制，是提高計算機可靠性有效措施。

抗惡劣環境計算機；溫度控制；加熱；冷卻

一、引言

抗惡劣環境計算機機箱內部的溫度控制的目的是要為芯片級、元件級、組件級和系統級提供良好的溫度環境，保證它們在規定的溫度環境下，能夠按照預定的條件穩定、可靠的工作。溫度控制系統必須在規定的使用期內，完成所規定的功能，并以最少的維護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境溫度過高或者過低而導致完全失去其電氣功能的一種失效形式。嚴重的失效，在某種程度上取決于局部溫度場、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溫度失效的臨界溫度，而這個臨界溫度應成為溫度控制系統的重要判據，在確定溫度控制方案時，電子元器件的最高允許溫度和最低允許溫度，以及元器件功耗應作為主要的設計參數。

二、計算機的溫控設計需求

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

飛機上的儀器設備，大多數采用標準的密封或非密封的ATR機箱，地面移動載體，例如方艙等采用的設備箱體以19英寸標準機箱為主。由于箱體材料選用的都是以合金鋁材為主，其導熱性很好，所以不論采用哪種標準的箱體，箱體本身不能對計算機工作的環境溫度起到任何隔熱、或者熱平衡的作用，必須通過內部加載加熱期間和導熱裝置來實現溫度的預期平衡。

需要進行溫度控制的各類抗惡劣環境計算機，在溫控設計時，必須同時注意對連續工作和取決于運載工具與任務的首次平均故障時間（MTTF）的要求，MTTF反應了設備的可靠性。各種運載工具的額定時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、抗惡劣環境計算機溫度控制基本原則

1.溫度控制的基本要求

抗惡劣環境計算機溫度控制是設備可靠性設計的一項重要技術。由于溫度與元器件失效率的指數規律，隨溫度的升高，失效律迅速增加，因此，在進行溫度設計時，必須首先了解元器件的溫度特性，并根據GJB/Z299《抗惡劣環境計算機可靠性預計手冊》提供的元器件基本失效率值。在此基礎上，可以根據設備工作環境的類別和元器件質量等級等，預計元器件的工作失效率以及設備的可靠性。

2.溫度控制基本原則

抗惡劣環境計算機溫度控制系統設計的基本任務是通過溫度控制措施，使設備箱體內部到達預設溫度的熱平衡，以便滿足設備的可靠性要求。

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

b.保證設備溫度控制系統的可靠性。在規定的使用期限內，冷卻系統的故障率應比元器件的故障率低。這說明對溫度控制系統的可靠性要求是相當高的。特別是對一些強迫冷卻系統和蒸發冷卻系統，為保證設備正常可靠地工作，常采用貯備方案，來保證冷卻系統的可靠性。同時要在系統中裝有安全保護裝置，例如流量開關，溫度繼電器，壓力繼電器等。

c.溫度控制系統應有良好的適應性，設計中可調性必須留有余地，因為有的設備在工作一段時間后，由于工程上的變化，可能會引起溫度損耗或流體流動阻力的增加，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.溫度控制系統應有良好的維修性。為了便于測試、維修和更換元件，設備中的關鍵元器件要易于接近和取放。

e.溫度控制系統應有良好的經濟性。經濟性包括溫度控制系統的初次投資成本，日常運行和維修費用等。溫度控制系統的成本只占整個設備成本的一定比例。

設計一個性能良好的溫度控制系統，應綜合考慮各方面因素，使其既能滿足溫度控制的要求，又能達到電氣性能指標，所用的代價最小、結構緊湊、工作可靠。

圖1 抗惡劣環境計算機的溫度控制原理

圖2 恒溫箱體的內部設計

四、抗惡劣環境計算機溫度控制方法

抗惡劣環境計算機的溫度控制，首先要從確定元器件或設備的正常工作所需的溫度作為預期，通過采取加熱和冷卻的方法，使箱體內部的溫度達到預期的溫度。原理圖如圖1所示。

1.溫控模型的建立

溫控系統模型分為兩部分，一部分是控制主體，類似于計算機的CPU，生成溫度控制指令；另一部分為恒溫空間，即為計算機或者其他設備工作的空間環境。該恒溫空間是一個隔熱箱體，加熱棒和制冷片都在箱體內部，通過在箱體內部設置多個溫度采集點，箱體內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行控制，溫控模塊通過采集溫度傳感器的數據，根據預設溫度條件，決定是否加熱或者制冷，溫控模塊的運算方式是采用差補插值的算法進行計算，通過DSP軟件控制，由計算機通用串口給出控制信號。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，箱體內部溫度可以通過前面板設置按鈕進行溫度調節，加熱和制冷的效率需要根據內部設備的實際工作功耗進行試驗。溫控箱內部的加熱裝置和制冷裝置分別用加熱棒和制冷片來實現。恒溫箱體的內部設計有通風風機，該風機用于設備箱體內部的熱傳遞，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備的組裝設計、可靠性、重量和成本等。要有效地控制元器件或設備的溫度，必須首先確定它們的發溫度量、與散溫度有關的結構尺寸、工作環境條件及其它特殊要求（如密封、氣壓等）。

設備內部元器件的冷卻方法應使發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，冷卻方法應簡單、可靠性維修性好、成本低等。利用金屬導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。對流換溫度需要較大的換溫度面積，在安裝密度較高的設備內部難以滿足要求。

冷卻方法確定后，應仔細研究抗惡劣環境計算機中各類電子元器件的溫度安裝方案和設備的整體結構形式。從溫度控制要求出發，應盡量減小傳溫度路徑的溫度阻，合理分配各個傳溫度環節的溫度阻值。正確布置發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，每一種方案都會帶來自身的障礙和挑戰，同時需要冷卻方法集成系統的內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算機性能和成本時就顯得游刃有余。了解整個系統后，對確定選擇最佳的冷卻方法相當重要。未來仍存在挑戰，隨著芯片封裝尺寸進一步縮小，

軍用計算機的機箱也會進一步減小。較小的機箱將會限制機箱的外表面，因此溫度管理的重點是如何選擇選擇最佳的冷卻方法。對于一個軍用計算機來說，溫度管理方案不再可能是一個單一的解決冷卻方法，一個解決方案上采用可能是一個混合冷卻方法。這種方法可能要混用多種冷卻方法使得計算機的溫度性能得到優化。

3.加熱措施

箱體內部加熱措施相對成熟簡單，因為所有器件的工作都是通過加電工作的，所以每個器件工作過程中都會發熱。可以有效提高元器件周圍環境的溫度。另外電加熱的技術也非常成熟，例如陶瓷加熱棒、加熱膜等都是很有效額加熱方式。

五、結論

對于軍用環境來說，溫度控制技術在抗惡劣環境計算機的應用日漸廣泛。但很多客觀條件限制了溫控系統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，計算機平臺的熱密度在不斷增加。之外，計算機還應該能夠承受沙塵、鹽霧、濕熱以及70℃高溫等氣候環境的要求。因此，在抗惡劣環境計算機系統內采用有效的溫控措施，對局部氣候因素采取有效的調節手段，還需要綜合應用多方面的技術，其可靠性指標才會得以保證。

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付軍，男，學士，工程師，主要從事惡劣環境適應性軍用電子產品的結構設計，工藝設計。