摘 要： 針對(duì)目前常用的基于FLEX架構(gòu)的小型收款機(jī)CPU散熱器不能使CPU穩(wěn)定工作的缺點(diǎn)，提出了一種輔助散熱器的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)多次性能試驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)是可行的。
??? 關(guān)鍵詞： CPU；輔助散熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)
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?? 目前小型收款機(jī)廣泛應(yīng)用于各超市、商場(chǎng)中。但是通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多基于FlexATX架構(gòu)的小型收款機(jī)在散熱上存在一定問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作后經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)狀況，影響正常使用。為消除由于散熱問(wèn)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(duì)流換熱技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，改善機(jī)箱內(nèi)部散熱情況。這種方法方便簡(jiǎn)捷，成本低且見(jiàn)效快。本文介紹一種效果明顯的CPU輔助散熱器的設(shè)計(jì)方法。
1 方案的確定
1.1 改造前機(jī)箱內(nèi)部散熱情況
??? 機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。散熱風(fēng)扇有2個(gè)，分別為安裝在CPU上面的散熱風(fēng)扇和電源內(nèi)部的風(fēng)扇。CPU上的風(fēng)扇將風(fēng)向下吹，帶走散出的熱量，散熱片將風(fēng)分散到兩旁。一側(cè)的風(fēng)被電源風(fēng)扇帶走，從電源的出風(fēng)口將熱量散出；而另一側(cè)的風(fēng)積聚在A處，散出困難，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作后，A處的熱量積聚過(guò)多，形成散熱死角。所以必須采取合理措施散掉A處積聚過(guò)多的熱量。
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??? 在機(jī)箱封閉，室溫19.2 ℃的情況下，測(cè)試改造前某收款機(jī)CPU的溫度為68.5 ℃。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)室內(nèi)溫度在15 ℃～35 ℃ 時(shí)，CPU運(yùn)行時(shí)的溫度低于60 ℃ 時(shí)為正常。顯然改造前CPU運(yùn)行時(shí)的溫度不符合正常要求。
1.2 改造方案
??? 解決機(jī)箱散熱問(wèn)題，必須注意以下幾點(diǎn)：
??? (1)不要安裝過(guò)多的機(jī)箱風(fēng)扇，這樣會(huì)造成機(jī)箱內(nèi)散熱風(fēng)流紊亂，反而起不到散熱的作用。
??? (2)增加的風(fēng)扇風(fēng)量盡量大，但要兼顧帶來(lái)的噪音問(wèn)題。
??? (3)機(jī)箱內(nèi)的理線要整齊，盡量不要阻擋風(fēng)道。
??? 風(fēng)道是空氣在機(jī)箱內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡。合理設(shè)計(jì)的風(fēng)道，可迅速帶走機(jī)箱內(nèi)的熱空氣。由于增加機(jī)箱風(fēng)扇后肯定會(huì)改變風(fēng)道，所以考慮在增加1個(gè)風(fēng)扇后會(huì)形成輔助風(fēng)道，使氣流可以流過(guò)CPU和顯卡附近，對(duì)這兩個(gè)配件進(jìn)行散熱。
??? 根據(jù)機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對(duì)散熱風(fēng)道的分析，輔助散熱器選擇安裝在A處，即顯卡擴(kuò)展槽處。
2 風(fēng)扇風(fēng)量的計(jì)算及規(guī)格選擇
2.1 散熱風(fēng)扇風(fēng)量的計(jì)算
??? 機(jī)箱內(nèi)散熱良好時(shí)：
，但實(shí)際測(cè)得的熱量平衡并非如此，2個(gè)風(fēng)扇抽走的熱量小于CPU和電源產(chǎn)生的總熱量，所以導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)存在散熱死角。因此，應(yīng)再增加散熱風(fēng)扇，使得機(jī)箱內(nèi)的熱平衡達(dá)到以下的要求：
實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算：
??? q=Q/(0.335ΔT)
式中，q為實(shí)際所需的風(fēng)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(fēng)扇的最大風(fēng)量。
2.2? 風(fēng)扇規(guī)格的選擇
??? 選擇散熱風(fēng)扇規(guī)格時(shí)除了考慮風(fēng)量要求以外，還要綜合考慮風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速、噪音等重要因素：
??? (1)風(fēng)壓是出風(fēng)口與入風(fēng)口間產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，是衡量風(fēng)扇“強(qiáng)勁”程度的重要指標(biāo)。
??? (2)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)量越大，風(fēng)壓也越大，但是同時(shí)其摩擦、振動(dòng)、噪音也越大。
??? (3)為了保障交談和通訊聯(lián)絡(luò)正常進(jìn)行，環(huán)境噪音的允許值應(yīng)在45 dB～60 dB以內(nèi)。
3 散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 散熱器外殼設(shè)計(jì)
? 散熱器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖2、圖3所示。
? 本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本低廉且通用性高，采用封閉式風(fēng)道，增強(qiáng)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(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：
? (1)機(jī)箱內(nèi)的運(yùn)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(huì)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(kuò)展槽內(nèi)，應(yīng)盡量使用非導(dǎo)電材料。
? (3)上殼造型較為復(fù)雜，應(yīng)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(kuò)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(jì)靈感來(lái)源于手機(jī)電池后蓋上的卡扣，在設(shè)計(jì)過(guò)程中模仿該卡扣設(shè)計(jì)并將其應(yīng)用于散熱器連接件上。
4 性能試驗(yàn)
? 散熱器設(shè)計(jì)完成以后，將其安裝在收款機(jī)機(jī)箱內(nèi)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。由于2.0 GHz的CPU在收款機(jī)市場(chǎng)中仍屬高頻，因此以其為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
? 試驗(yàn)結(jié)果表明：在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，CPU的溫度沒(méi)有超過(guò)52 ℃ ，低于60 ℃ 的溫度極限，符合使用要求。目前市場(chǎng)上收款機(jī)的主流CPU為Intel Celeron(R) CPU 1.20 GHz，安裝該輔助散熱器后，不會(huì)存在散熱問(wèn)題。
? 本散熱器是按照現(xiàn)行收款機(jī)CPU頻率設(shè)計(jì)的。若有更高頻收款機(jī)出現(xiàn)散熱問(wèn)題，或在機(jī)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(jì)；由于本散熱器是用在FlexATX構(gòu)架中的，用在別的機(jī)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(jì)中，可以將此散熱器做成系列產(chǎn)品以適用各種不同的機(jī)箱架構(gòu)。
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