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小型收款机CPU辅助散热器的设计

2009-07-08
作者:王元生,樊 燕

  摘 要: 针对目前常用的基于FLEX架构的小型收款机CPU散热器不能使CPU稳定工作的缺点,提出了一种辅助散热器的设计方法。通过多次性能试验,证明该设计是可行的。
    关键词: CPU;辅助散热器;结构设计;试验

 

   目前小型收款机广泛应用于各超市、商场中。但是通过调查发现,许多基于FlexATX架构的小型收款机在散热上存在一定问题,长时间运作后经常出现死机状况,影响正常使用。为消除由于散热问题而造成的安全隐患,可以考虑增设辅助散热装置,利用对流换热技术将热量转移,改善机箱内部散热情况。这种方法方便简捷,成本低且见效快。本文介绍一种效果明显的CPU辅助散热器的设计方法。
1 方案的确定
1.1 改造前机箱内部散热情况
    机箱内部结构如图1所示。散热风扇有2个,分别为安装在CPU上面的散热风扇和电源内部的风扇。CPU上的风扇将风向下吹,带走散出的热量,散热片将风分散到两旁。一侧的风被电源风扇带走,从电源的出风口将热量散出;而另一侧的风积聚在A处,散出困难,长时间运作后,A处的热量积聚过多,形成散热死角。所以必须采取合理措施散掉A处积聚过多的热量。

 

 

    在机箱封闭,室温19.2 ℃的情况下,测试改造前某收款机CPU的温度为68.5 ℃。根据行业标准,当室内温度在15 ℃~35 ℃ 时,CPU运行时的温度低于60 ℃ 时为正常。显然改造前CPU运行时的温度不符合正常要求。
1.2 改造方案
    解决机箱散热问题,必须注意以下几点:
    (1)不要安装过多的机箱风扇,这样会造成机箱内散热风流紊乱,反而起不到散热的作用。
    (2)增加的风扇风量尽量大,但要兼顾带来的噪音问题。
    (3)机箱内的理线要整齐,尽量不要阻挡风道。
    风道是空气在机箱内运动的轨迹。合理设计的风道,可迅速带走机箱内的热空气。由于增加机箱风扇后肯定会改变风道,所以考虑在增加1个风扇后会形成辅助风道,使气流可以流过CPU和显卡附近,对这两个配件进行散热。
    根据机箱内部结构和对散热风道的分析,辅助散热器选择安装在A处,即显卡扩展槽处。
2 风扇风量的计算及规格选择
2.1 散热风扇风量的计算

    机箱内散热良好时:,但实际测得的热量平衡并非如此,2个风扇抽走的热量小于CPU和电源产生的总热量,所以导致机箱内存在散热死角。因此,应再增加散热风扇,使得机箱内的热平衡达到以下的要求:
  
  实际冷却风量的计算:
    q=Q/(0.335ΔT)
式中,q为实际所需的风量(m3/h);Q为散热量(W);ΔT为空气的温升(℃),一般为10 ℃~15 ℃。
    按照1.5~2倍的裕量选择散热风扇的最大风量。
2.2  风扇规格的选择
    选择散热风扇规格时除了考虑风量要求以外,还要综合考虑风压、转速、噪音等重要因素:
    (1)风压是出风口与入风口间产生的压强差,是衡量风扇“强劲”程度的重要指标。
    (2)风扇的转速越快,风量越大,风压也越大,但是同时其摩擦、振动、噪音也越大。
    (3)为了保障交谈和通讯联络正常进行,环境噪音的允许值应在45 dB~60 dB以内。
3 散热器的结构设计
3.1 散热器外壳设计
    散热器外壳结构设计分别如图2、图3所示。


    本结构设计成本低廉且通用性高,采用封闭式风道,增强了密闭性,提高了散热器的散热能力。
3.2 散热器外壳材料的确定
    选择外壳材料时应注意以下问题:
    (1)机箱内的运行温度一般在50 ℃~70 ℃ 之间,如果外壳材料不适合在此温度范围内工作,则材料易老化,会产生变形影响散热效果。
    (2)散热装置安装在主板的显卡扩展槽内,应尽量使用非导电材料。
    (3)上壳造型较为复杂,应选择较易成型的材料。
    (4)散热件要求容易拆卸。
    综合考虑以上因素,选择ABS材料作为上壳的材料,加工方式为注塑成型。下壳安装在主板上的显卡扩展槽内,选择PCB板(印刷电路板)作为材料。
3.3 散热器中的连接方式
    散热器的上下壳均是塑料材质,综合考虑安全、工作环境、外观、成本等因素,选择卡扣连接作为上下壳的连接方式。设计灵感来源于手机电池后盖上的卡扣,在设计过程中模仿该卡扣设计并将其应用于散热器连接件上。
4 性能试验
    散热器设计完成以后,将其安装在收款机机箱内进行了性能试验。由于2.0 GHz的CPU在收款机市场中仍属高频,因此以其为试验对象,试验数据如表1所示。


    试验结果表明:在长时间运转后,CPU的温度没有超过52 ℃ ,低于60 ℃ 的温度极限,符合使用要求。目前市场上收款机的主流CPU为Intel Celeron(R) CPU 1.20 GHz,安装该辅助散热器后,不会存在散热问题。
    本散热器是按照现行收款机CPU频率设计的。若有更高频收款机出现散热问题,或在机箱中集成的器件较多而造成总热量增加,可按同样方法设计;由于本散热器是用在FlexATX构架中的,用在别的机箱内可能在尺寸上或者散热效果上不合适。因此在今后的设计中,可以将此散热器做成系列产品以适用各种不同的机箱架构。


参考文献
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