抗恶劣环境计算机的温控设计

华北计算技术研究所 付 军

抗恶劣环境计算机的温控设计

华北计算技术研究所 付 军

环境温度是对电子计算机可靠性影响最大的环境条件，抗恶劣环境计算机的主要应用领域是军工系统领域，军用设备的运行可靠性要求是至关重要的指标，做好计算机工作环境温度控制，是提高计算机可靠性有效措施。

抗恶劣环境计算机；温度控制；加热；冷却

一、引言

抗恶劣环境计算机机箱内部的温度控制的目的是要为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的温度环境，保证它们在规定的温度环境下，能够按照预定的条件稳定、可靠的工作。温度控制系统必须在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以最少的维护保证其正常工作的功能。

防止电子元器件的温度失效是温度控制的主要目的。温度失效是指电子元器件直接由于环境温度过高或者过低而导致完全失去其电气功能的一种失效形式。严重的失效，在某种程度上取决于局部温度场、电子元器件的工作过程和形式，因此，就需要正确地确定出现温度失效的临界温度，而这个临界温度应成为温度控制系统的重要判据，在确定温度控制方案时，电子元器件的最高允许温度和最低允许温度，以及元器件功耗应作为主要的设计参数。

二、计算机的温控设计需求

抗恶劣环境计算机使用场所的温度环境的可变性是温度控制的一个必须考虑的重要因素，例如装在室外移动载体上的计算机在移动过程中所处的地域的环境温度差异很大。例如，东北地区深冬季节的气温和南方盛夏的气温差距极限值有100摄氏度。所以室外移动载体上计算机内的电子元器件所经受的环境条件比地面室内设备的环境条件恶劣得多，它们必须满足不同环境温度的要求，这就要求该计算机自身内部有良好的温度控制，通过箱体内部加热和降温等相关措施，使得计算机内部所有部件的工作温度达到一个正常的温度范围。

飞机上的仪器设备，大多数采用标准的密封或非密封的ATR机箱，地面移动载体，例如方舱等采用的设备箱体以19英寸标准机箱为主。由于箱体材料选用的都是以合金铝材为主，其导热性很好，所以不论采用哪种标准的箱体，箱体本身不能对计算机工作的环境温度起到任何隔热、或者热平衡的作用，必须通过内部加载加热期间和导热装置来实现温度的预期平衡。

需要进行温度控制的各类抗恶劣环境计算机，在温控设计时，必须同时注意对连续工作和取决于运载工具与任务的首次平均故障时间（MTTF）的要求，MTTF反应了设备的可靠性。各种运载工具的额定时间需要考虑携带的燃料、通信与控制的最大距离及作用范围等。

三、抗恶劣环境计算机温度控制基本原则

1.温度控制的基本要求

抗恶劣环境计算机温度控制是设备可靠性设计的一项重要技术。由于温度与元器件失效率的指数规律，随温度的升高，失效律迅速增加，因此，在进行温度设计时，必须首先了解元器件的温度特性，并根据GJB/Z299《抗恶劣环境计算机可靠性预计手册》提供的元器件基本失效率值。在此基础上，可以根据设备工作环境的类别和元器件质量等级等，预计元器件的工作失效率以及设备的可靠性。

2.温度控制基本原则

抗恶劣环境计算机温度控制系统设计的基本任务是通过温度控制措施，使设备箱体内部到达预设温度的热平衡，以便满足设备的可靠性要求。

a.保证温度控制系统具有良好的加热功能和冷却功能，即可用性。要保证设备内的电子器件均能在规定的温度环境中正常工作，每个元器件的配置必须符合安装要求。

b.保证设备温度控制系统的可靠性。在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故障率低。这说明对温度控制系统的可靠性要求是相当高的。特别是对一些强迫冷却系统和蒸发冷却系统，为保证设备正常可靠地工作，常采用贮备方案，来保证冷却系统的可靠性。同时要在系统中装有安全保护装置，例如流量开关，温度继电器，压力继电器等。

c.温度控制系统应有良好的适应性，设计中可调性必须留有余地，因为有的设备在工作一段时间后，由于工程上的变化，可能会引起温度损耗或流体流动阻力的增加，则要求增大其散温度能力，以便无须多大的变更就能增加其散温度能力。

d.温度控制系统应有良好的维修性。为了便于测试、维修和更换元件，设备中的关键元器件要易于接近和取放。

e.温度控制系统应有良好的经济性。经济性包括温度控制系统的初次投资成本，日常运行和维修费用等。温度控制系统的成本只占整个设备成本的一定比例。

设计一个性能良好的温度控制系统，应综合考虑各方面因素，使其既能满足温度控制的要求，又能达到电气性能指标，所用的代价最小、结构紧凑、工作可靠。

图1 抗恶劣环境计算机的温度控制原理

图2 恒温箱体的内部设计

四、抗恶劣环境计算机温度控制方法

抗恶劣环境计算机的温度控制，首先要从确定元器件或设备的正常工作所需的温度作为预期，通过采取加热和冷却的方法，使箱体内部的温度达到预期的温度。原理图如图1所示。

1.温控模型的建立

温控系统模型分为两部分，一部分是控制主体，类似于计算机的CPU，生成温度控制指令；另一部分为恒温空间，即为计算机或者其他设备工作的空间环境。该恒温空间是一个隔热箱体，加热棒和制冷片都在箱体内部，通过在箱体内部设置多个温度采集点，箱体内部的加热棒的工作与否和制冷片的工作与否，都是通过外部温控模块进行控制，温控模块通过采集温度传感器的数据，根据预设温度条件，决定是否加热或者制冷，温控模块的运算方式是采用差补插值的算法进行计算，通过DSP软件控制，由计算机通用串口给出控制信号。温控模块安装在温控箱体外部，操作按钮和显示部分安装在温控模块的前面板上，箱体内部温度可以通过前面板设置按钮进行温度调节，加热和制冷的效率需要根据内部设备的实际工作功耗进行试验。温控箱内部的加热装置和制冷装置分别用加热棒和制冷片来实现。恒温箱体的内部设计有通风风机，该风机用于设备箱体内部的热传递，如图2所示。

2.冷却措施

冷却方法的选择直接影响元器件或设备的组装设计、可靠性、重量和成本等。要有效地控制元器件或设备的温度，必须首先确定它们的发温度量、与散温度有关的结构尺寸、工作环境条件及其它特殊要求（如密封、气压等）。

设备内部元器件的冷却方法应使发温度元器件与被冷却表面或散温度器之间有一条低温度阻的传温度路径，冷却方法应简单、可靠性维修性好、成本低等。利用金属导温度是最基本的传温度方法，其温度路容易控制。而辐射换温度则需要较高的温差，且传温度路径不易控制。对流换温度需要较大的换温度面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。

冷却方法确定后，应仔细研究抗恶劣环境计算机中各类电子元器件的温度安装方案和设备的整体结构形式。从温度控制要求出发，应尽量减小传温度路径的温度阻，合理分配各个传温度环节的温度阻值。正确布置发温度元件与温度敏元件的位置及间距。注意印制板组装件的放置方向和它们的间距，保证冷却气流均匀流过发温度元器件，形成合理的气流通路。

随着变化多端的需求和受限的空间，一种冷却方法并不能解决所有散温度问题，每一种方案都会带来自身的障碍和挑战，同时需要冷却方法集成系统的内部和外部的其他因素。最好的解决方案是一种综合化的能力，这种方法使得工程师在综合考虑军用计算机性能和成本时就显得游刃有余。了解整个系统后，对确定选择最佳的冷却方法相当重要。未来仍存在挑战，随着芯片封装尺寸进一步缩小，

军用计算机的机箱也会进一步减小。较小的机箱将会限制机箱的外表面，因此温度管理的重点是如何选择选择最佳的冷却方法。对于一个军用计算机来说，温度管理方案不再可能是一个单一的解决冷却方法，一个解决方案上采用可能是一个混合冷却方法。这种方法可能要混用多种冷却方法使得计算机的温度性能得到优化。

3.加热措施

箱体内部加热措施相对成熟简单，因为所有器件的工作都是通过加电工作的，所以每个器件工作过程中都会发热。可以有效提高元器件周围环境的温度。另外电加热的技术也非常成熟，例如陶瓷加热棒、加热膜等都是很有效额加热方式。

五、结论

对于军用环境来说，温度控制技术在抗恶劣环境计算机的应用日渐广泛。但很多客观条件限制了温控系统中冷却方法的有效使用。例如更多的电子元器件安装到更狭小的空间内，计算机平台的热密度在不断增加。之外，计算机还应该能够承受沙尘、盐雾、湿热以及70℃高温等气候环境的要求。因此，在抗恶劣环境计算机系统内采用有效的温控措施，对局部气候因素采取有效的调节手段，还需要综合应用多方面的技术，其可靠性指标才会得以保证。

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[2]丁小东.电子设备的热设计[J].环境技术,2001(3).

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[4]陈沽茹,朱敏波,齐颖.Icepak在电子设备热设计中的应用．

付军，男，学士，工程师，主要从事恶劣环境适应性军用电子产品的结构设计，工艺设计。