《電子技術(shù)應用》
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小型收款機CPU輔助散熱器的設(shè)計

2009-07-08
作者:王元生,樊 燕

  摘 要: 針對目前常用的基于FLEX架構(gòu)的小型收款機CPU散熱器不能使CPU穩(wěn)定工作的缺點,提出了一種輔助散熱器的設(shè)計方法。通過多次性能試驗,證明該設(shè)計是可行的。
??? 關(guān)鍵詞: CPU;輔助散熱器;結(jié)構(gòu)設(shè)計;試驗

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?? 目前小型收款機廣泛應用于各超市、商場中。但是通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),許多基于FlexATX架構(gòu)的小型收款機在散熱上存在一定問題,長時間運作后經(jīng)常出現(xiàn)死機狀況,影響正常使用。為消除由于散熱問題而造成的安全隱患,可以考慮增設(shè)輔助散熱裝置,利用對流換熱技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移,改善機箱內(nèi)部散熱情況。這種方法方便簡捷,成本低且見效快。本文介紹一種效果明顯的CPU輔助散熱器的設(shè)計方法。
1 方案的確定
1.1 改造前機箱內(nèi)部散熱情況
??? 機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。散熱風扇有2個,分別為安裝在CPU上面的散熱風扇和電源內(nèi)部的風扇。CPU上的風扇將風向下吹,帶走散出的熱量,散熱片將風分散到兩旁。一側(cè)的風被電源風扇帶走,從電源的出風口將熱量散出;而另一側(cè)的風積聚在A處,散出困難,長時間運作后,A處的熱量積聚過多,形成散熱死角。所以必須采取合理措施散掉A處積聚過多的熱量。

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??? 在機箱封閉,室溫19.2 ℃的情況下,測試改造前某收款機CPU的溫度為68.5 ℃。根據(jù)行業(yè)標準,當室內(nèi)溫度在15 ℃~35 ℃ 時,CPU運行時的溫度低于60 ℃ 時為正常。顯然改造前CPU運行時的溫度不符合正常要求。
1.2 改造方案
??? 解決機箱散熱問題,必須注意以下幾點:
??? (1)不要安裝過多的機箱風扇,這樣會造成機箱內(nèi)散熱風流紊亂,反而起不到散熱的作用。
??? (2)增加的風扇風量盡量大,但要兼顧帶來的噪音問題。
??? (3)機箱內(nèi)的理線要整齊,盡量不要阻擋風道。
??? 風道是空氣在機箱內(nèi)運動的軌跡。合理設(shè)計的風道,可迅速帶走機箱內(nèi)的熱空氣。由于增加機箱風扇后肯定會改變風道,所以考慮在增加1個風扇后會形成輔助風道,使氣流可以流過CPU和顯卡附近,對這兩個配件進行散熱。
??? 根據(jù)機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對散熱風道的分析,輔助散熱器選擇安裝在A處,即顯卡擴展槽處。
2 風扇風量的計算及規(guī)格選擇
2.1 散熱風扇風量的計算

??? 機箱內(nèi)散熱良好時:,但實際測得的熱量平衡并非如此,2個風扇抽走的熱量小于CPU和電源產(chǎn)生的總熱量,所以導致機箱內(nèi)存在散熱死角。因此,應再增加散熱風扇,使得機箱內(nèi)的熱平衡達到以下的要求:
  
  實際冷卻風量的計算:
??? q=Q/(0.335ΔT)
式中,q為實際所需的風量(m3/h);Q為散熱量(W);ΔT為空氣的溫升(℃),一般為10 ℃~15 ℃。
??? 按照1.5~2倍的裕量選擇散熱風扇的最大風量。
2.2? 風扇規(guī)格的選擇
??? 選擇散熱風扇規(guī)格時除了考慮風量要求以外,還要綜合考慮風壓、轉(zhuǎn)速、噪音等重要因素:
??? (1)風壓是出風口與入風口間產(chǎn)生的壓強差,是衡量風扇“強勁”程度的重要指標。
??? (2)風扇的轉(zhuǎn)速越快,風量越大,風壓也越大,但是同時其摩擦、振動、噪音也越大。
??? (3)為了保障交談和通訊聯(lián)絡(luò)正常進行,環(huán)境噪音的允許值應在45 dB~60 dB以內(nèi)。
3 散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 散熱器外殼設(shè)計
  ? 散熱器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計分別如圖2、圖3所示。


  ? 本結(jié)構(gòu)設(shè)計成本低廉且通用性高,采用封閉式風道,增強了密閉性,提高了散熱器的散熱能力。
3.2 散熱器外殼材料的確定
  ? 選擇外殼材料時應注意以下問題:
  ? (1)機箱內(nèi)的運行溫度一般在50 ℃~70 ℃ 之間,如果外殼材料不適合在此溫度范圍內(nèi)工作,則材料易老化,會產(chǎn)生變形影響散熱效果。
  ? (2)散熱裝置安裝在主板的顯卡擴展槽內(nèi),應盡量使用非導電材料。
  ? (3)上殼造型較為復雜,應選擇較易成型的材料。
  ? (4)散熱件要求容易拆卸。
  ? 綜合考慮以上因素,選擇ABS材料作為上殼的材料,加工方式為注塑成型。下殼安裝在主板上的顯卡擴展槽內(nèi),選擇PCB板(印刷電路板)作為材料。
3.3 散熱器中的連接方式
  ? 散熱器的上下殼均是塑料材質(zhì),綜合考慮安全、工作環(huán)境、外觀、成本等因素,選擇卡扣連接作為上下殼的連接方式。設(shè)計靈感來源于手機電池后蓋上的卡扣,在設(shè)計過程中模仿該卡扣設(shè)計并將其應用于散熱器連接件上。
4 性能試驗
  ? 散熱器設(shè)計完成以后,將其安裝在收款機機箱內(nèi)進行了性能試驗。由于2.0 GHz的CPU在收款機市場中仍屬高頻,因此以其為試驗對象,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。


  ? 試驗結(jié)果表明:在長時間運轉(zhuǎn)后,CPU的溫度沒有超過52 ℃ ,低于60 ℃ 的溫度極限,符合使用要求。目前市場上收款機的主流CPU為Intel Celeron(R) CPU 1.20 GHz,安裝該輔助散熱器后,不會存在散熱問題。
?   本散熱器是按照現(xiàn)行收款機CPU頻率設(shè)計的。若有更高頻收款機出現(xiàn)散熱問題,或在機箱中集成的器件較多而造成總熱量增加,可按同樣方法設(shè)計;由于本散熱器是用在FlexATX構(gòu)架中的,用在別的機箱內(nèi)可能在尺寸上或者散熱效果上不合適。因此在今后的設(shè)計中,可以將此散熱器做成系列產(chǎn)品以適用各種不同的機箱架構(gòu)。


參考文獻
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