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嵌 嵌入式工控机入式低功耗无风扇1UBOX工控机温度测试报告

blog 2021-05-14 50 0

  无风扇 低功耗 嵌入式 全密封 迷你便携电脑 ATOM 工控 铝制机箱 L型机箱 高温测试 环境温度60 导热 散热 热量交换 热平衡

  英特尔推出的低功耗ATOM系列处理器,普遍认为适合作为CPU,应用于笔记本电脑上。然而,对于需要长时间开机,且应用对电脑依赖性较高的工控的领域上,越来越多的厂商考虑把低功耗的ATOM处理器与945GSE搭配,应用在工控的领域上。智慧工控经过十多年在工控行业的积累,以低功耗、无风扇、全密封、免维护的产品为主导,新推出基于ATOM平台的工控整机,命名为U-BOX,中文名为1UBOX。

  由于工控产品的应用环境恶劣,工控产品时常在高温环境下工作,为检测1UBOX在恶劣环境下的工作情况,我们对1UBOX进行实验室测试、常温测试、模拟实验室高温环境测试,目的是测试1UBOX在各种不同温度环境下的运行情况。

  (由于在测试中我们以不同的摆放方式进行测试,因此在测试前,我们先确认1UBOX上,CPU面和硬盘面的位置。)

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  为测试我们1UBOX在高温环境下的运行情况,我们对1UBOX分别进行实验室测试、常温测试、模拟实验室高温环境测试。

  1UBOX实验室温度测试,是在实验室内,对1UBOX进行环境温度50的高温测试,目的是测试1UBOX在不同的摆放方式下,1UBOX上CPU面、硬盘面、1UBOX硬盘芯片温度、CPU二极管温度、CPU芯片温度,以及1UBOX在环境温度50下是否能正常工运行。

  把1UBOX放于全密封的测试设备内,测试设备内的环境温度到达50 。

  测试1UBOX能否在全密封、环境温度50的环境下正常运行。

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  1UBOX可以在全密封、环境温度50下的环境内,正常运行。1UBOX通过实验室测试

  经过实验室的温度测试,1UBOX在环境温度50下,无论1UBOX在卧放、竖放的摆放方式中,测得的硬盘芯片温度、CPU二极管温度、CPU芯片温度均在极限温度以下,CPU正常工作,1UBOX保持正常运行。

  我们对1UBOX进行常温环境温度测试,目的是检测1UBOX在常温环境下的运行情况。

  常温环境下测试是指在正常温度下(即测试环境温度在30附近),把1UBOX放在室内,于

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得室内温度为31 。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得机箱表面温度为49.3 。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,见上图右下角,温度测试软件测得1UBOX硬盘芯片温度为49,CPU二极管温度为91,CPU芯片温度为77 。

  注:经过测试1.1 测试,1UBOX运行正常,1UBOX通过测试 1.1 的测试。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得室内温度为31.8 。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得机箱表面温度为45.6 。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,见上图右下角,温度测试软件测得1UBOX硬盘核心温度为48,CPU二极管温度为91,CPU核心温度为76 。

  注:经过测试1.2 测试,1UBOX运行正常,1UBOX通过测试 1.2 的测试。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得室内温度为32.5 。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得机箱表面温度为46.8 。

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  1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,见上图右下角,温度测试软件测得1UBOX硬盘核心温度为48,CPU二极管温度为91,CPU核心温度为78 。

  注:经过测试1.3 测试,1UBOX运行正常,1UBOX通过测试 1.3 的测试。

  1UBOX在CPU占用率100%,环境温度30左右的常温下,运行正常。室内环境温度与1UBOX机箱表面温度的温度差在1318。

  从测试情况表明,在常温下,CPU占用率100%的1UBOX在卧放、竖放等不同的摆放方式下,室内环境温度与1UBOX机箱表面温度相差1318,温度在正常范围之内。温度测试软件测得1UBOX硬盘芯片温度在4849之间,CPU二极管温度在91附近,CPU芯片温度在7678之间,温度均在硬盘、二极管、CPU的极限温度以内,1UBOX工作情况正常。

  在日常的应用环境内,能达到50环境温度的地方不多,我们选择把商务车放置于太阳光直射的地方进行环境温度测试。

  经过我们数天的测试,于2009年7月17日16时,录得数天测试的最高温度。

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  我们在商务车外,太阳光直射的地方录得户外温度为37.5。

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  商务车在太阳光直射下,未打开商务车车门时,录得车内温度为52。

  商务车在太阳光直射的露天停车场上,录得商务车内最高温度为52。

  为模拟车内高温温度和实验室内高温温度,测试1UBOX在高温环境下的运行情况,我们进行模拟实验室的测试。模拟高温测试是把1UBOX放在模拟高温环境的全密封纸皮箱内,于

  在太阳照射下,关上门窗的全密封房间内,把1UBOX放置于一个全密封纸皮箱内,纸皮箱外再盖上一密封小黑箱,帮助密封纸皮箱吸热。

  (由于小黑箱吸热能力较强,且由于是密封纸箱,箱内外空气无法相互补充,1UBOX的散热环境,比普通常温下的散热环境要恶劣得多,这样的模拟环境与实验室的高温环境、车内高温环境相似。)

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  为保证在模拟高温测试中,纸箱的全密封程度更好,我们用泡沫把纸箱的小洞封好

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  (由于1UBOX在全密封的纸箱内进行高温测试,故此无法测试1UBOX机箱的表面温度。)

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  高温测试2.1中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,在全密封房间测得室内温度为41.6

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  高温测试2.1中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得黑箱内部温度为57.0

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  高温测试2.1中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,见上图右下角,温度测试软件测得1UBOX硬盘芯片温度为74,CPU二极管温度为114,CPU芯片温度为95 。

  注:经过测试2.1 测试,1UBOX运行正常,1UBOX通过测试 2.1的测试。

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  高温测试2.2中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,在全密封房间测得室内温度为39.6

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  高温测试2.2中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得黑箱内部温度为52

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  高温测试2.2中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,见上图右下角,温度测试软件测得1UBOX硬盘芯片温度为66,CPU二极管温度为107,CPU芯片温度为89 。

  注:经过测试2.2测试,1UBOX运行正常,1UBOX通过测试 2.2 的测试。

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  高温测试2.3中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,在全密封房间测得室内温度为39.7

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  高温测试2.3中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,测得黑箱内部温度为51

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  高温测试2.3中,1UBOX连续运行120小时后进行测试记录时,见上图右下角,温度测试软件测得1UBOX硬盘芯片温度为68,CPU二极管温度为109,CPU芯片温度为91 。

  注:经过测试2.3 测试,1UBOX运行正常,1UBOX通过测试 2.3 的测试。

  1UBOX可以在全密封、环境温度60的高温环境下,不间断正常工作。

  从测试情况表明,1UBOX在卧放、竖放等不同的摆放方式,在全密封、环境温度60的高温环境下测试,1UBOX硬盘芯片温度在6674之间,二极管温度在107114附近,CPU芯片温度在8995之间,均在硬盘、二极管、CPU的极限温度以内,1UBOX工作情况正常。1UBOX可以在全密封、环境温度60的高温环境下不间断正常运行。

  三.测试结果:1UBOX在各种环境温度下,保持正常工作,1UBOX散热性能良好

  通过以上的测试数据得出,1UBOX在卧放、竖放等摆放方式,在实验室测试,常温测试,甚至是60的全密封高温测试,1UBOX硬盘芯片温度、CPU二极管温度、CPU芯片温度均保持在极限工作温度以下,1UBOX均保持正常运行,证明1UBOX可以在各种温度下,甚至是60的恶劣高温环境下持续不间断正常运行。1UBOX是一台无风扇的迷你电脑,可以在60的恶劣高温环境下持续不间断正常工作,表明1UBOX具有良好的散热性能,可以在60的高温环境下运行。

  四.测试结论:1UBOX能在温度60的环境下,保持正常工作

  通过实验室测试、常温测试、模拟车内高温环境和模拟实验室高温环境测试表明,1UBOX能在60的高温环境下连续不间断正常工作,硬盘芯片温度、CPU二极管温度、CPU芯片温度均在各自的极限工作温度以下。由此我们可知,1UBOX的散热情况良好,1UBOX能在温度60的高温环境下正常工作。

  根据散热原理,加高1UBOX机壳的散热齿高度,增大1UBOX散热面的表面积,1UBOX可以在60高温下正常工作。

  通过对1UBOX进行的模拟高温测试,我们对无风扇迷你电脑1UBOX能在60高温环境下工作的原因进行分析:

  在全密封的环境内,环境温度不可能无条件升高,当环境温度升高到一定数值,黑纸箱外部和内部的温度相对平衡,黑纸箱内环境温度不会继续上升,温度恒定于一定数值上。

  当1UBOX在全密封的环境内运行时,1UBOX向四周不断释放热量,1UBOX四周空气受热,空气变得稀薄,1UBOX附近的空气从四面八方补充到1UBOX四周,形成气流的流动。

  当1UBOX在全密封的环境内运行时,1UBOX向四周不断释放热量,使1UBOX四周的空气变得稀薄,造成黑纸箱内部的气压下降。原本平衡的黑纸箱外部和内部气压产生变化,黑纸箱外部的气压成为气压较高的一端,黑纸箱内部的气压成为气压较低的一端,致使黑纸箱外部和内部形成气压差。

  由于黑纸箱外部和内部气压差的形成,导致黑纸箱外部和内部之间形成热力交换。由于黑纸箱内部和外部的热力之间存在温度差异,黑纸箱内部和外部的气压,通过从纸箱内各细微的气孔与纸箱外的空气进行热力交换,当黑纸箱外部和内部的温度达到一个相对平衡的状态时,即黑纸箱外部和内部温度达到热平衡状态,黑纸箱外部和内部的温度差处于恒定状态。

  经过我们分析,无风扇的1UBOX能在60的高温下工作,主要原因如下:

  1UBOX选择的是ATOM N270 + 945GSE组合的芯片组,ATOM N270 的CPU功耗低于2.5W,配搭945GSE芯片组,整张主板的功耗在11W附近,整台1UBOX整机的功耗不高于20W 。1UBOX选择低功耗的主板,为实现1UBOX整机无风扇提供前提条件。

  1UBOX的主板在设计上是与别不同的。与一般的主板把CPU、南北桥设计在主板正面相比,1UBOX的主板上的CPU、南北桥在主板的背面,这样的设计,是为使CPU、南北桥等发热大户通过导热设计把热量导到机箱表面,进行有效散热,以实现1UBOX整机的无风扇。

  1UBOX机箱使用的是全铝制机箱,与其他金属机箱相比,铝制机箱的导热系数较高,热阻值较低,有利于1UBOX的散热。某些金属材料导热系数强,但散热能力持续时间不长,铝是导热系数、热阻值和持续时间等综合能力较好。因此我们选择铝制的机箱作为1UBOX机箱。

  1UBOX机箱上使用的是高质量的导热硅脂,配上铝制导热桥,两者结合,把1UBOX主板上CPU和南北桥的热量快速有效的导到铝制机箱上。

  高质量的散热硅脂比普通的散热硅脂的散热效率更好,能迅速的把CPU、南北桥的热量导到铝制散热桥上。

  铝制散热桥的导热系数较高,热阻值较小,同样能迅速的把CPU、南北桥的热量导到铝制机箱上,借助空气中的气流流动,把铝制机箱面的热量带走,从而实现1UBOX的无风扇散热。

  由于1UBOX内各导热器件的紧密贴合,有效提高1UBOX的导热,使1UBOX能在60的高温环境下正常运行。在测试过程中,我们以1UBOX的CPU面向上、CPU面向下和1UBOX竖放三种不同的摆放方式进行测试,结果证明,1UBOX在CPU面向下的摆放方式中,测得的CPU温度较低,而测得1UBOX的CPU面向上的摆放方式中,测得的CPU温度较高。我们推断,这是由于1UBOX在CPU面向下的摆放方式中,1UBOX内CPU、南北桥与导热硅脂、导热桥的贴合程度较好,在一定程度上提高了1UBOX的导热能力,因此1UBOX在CPU面向下的摆放方式中,导热能力也较好。

  1UBOX机箱采用崭新的L型机箱设计,增大散热面积,使整个机箱成为统一的散热体,且安装方便

  1UBOX采用L型机箱设计的好处之一是增大散热面积。机箱的L型设计,把硬盘和CPU、南北桥等发热大户的热量分散到两个不同的L型散热面上,即把硬盘的热量导到一个L型面上,CPU、南北桥的热量导到另一个L型面上(这是由于1UBOX主板的CPU、南北桥在主板的背面,使硬盘、CPU、南北桥分散导热成为可能),从而实现散热面积的增大。正是由于1UBOX的L型机箱把硬盘、无风扇工控机,CPU、南北桥的热量分散到各个L型面上,使整个机箱成为一个统一的有效散热体。

  1UBOX采用L型机箱设计的好处之二是安装方便。1UBOX的L型机箱设计,两个L型面的接合位十分紧凑,机箱的安装也非常方便,只需将两个L型机箱进行简单接合,装上前后面板,机箱就安装完成,简单方便。

  1UBOX无风扇散热效率比带风扇散热效率高。有风扇产品由于有风扇帮助散热,对散热材料用料的要求相对较低,机箱导热结构精准度要求不高,导致在高温全密封的环境应用下,有风扇产品的散热效率低于无风扇产品的散热效能。造成这种情况的原因是有风扇产品的CPU与CPU散热器的温差大,影响其散热效率。

  有风扇产品由于利用风扇帮助散热,CPU散热器上的热量很快被风扇带走,而有风扇产品由于有风扇帮助散热,对CPU散热器的材质要求不高,CPU的热量传导到CPU散热器上的效率较低,导致CPU与CPU散热器之间的温差较大,影响CPU的散热效率。

  如果有风扇产品在机构导热设计上考虑精准,选用高质量的导热材料,那导热效率确实比无风扇产品的导热效率要好。但正正由于有风扇产品依靠风扇帮助散热,在其他导热用料上无进行精确考虑,导致有风扇的产品在高温全密封的应用环境下,散热效率打了一定的折扣。

  有风扇散热的产品,由于风扇只能对单个面进行吹风散热,导致机器内其他部分的热量向风扇处聚集,风扇的散热负荷加重,散热效率降低,尤其是长时间使用时,风扇出现积尘现象,风扇散热效率进一步下降。

  1UBOX的无风扇散热,是运用工程热力学原理实现的。当环境温度与1UBOX的温度之间的温度差达到一定数值,环境温度和整机的热量处于相对稳定的状态,两者之间达到热平衡。在这种状态下,环境温度和1UBOX的温度不会无条件上升,因此1UBOX可以实现无风扇散热。由于1UBOX利用四周空气气体流动的方式进行散热,1UBOX各个面都成为散热面,散热效率比带风扇散热产品的单面散热效率要高。

  带风扇的产品由于考虑到有风扇帮助散热,CPU的散热铝片的温度不高,设计人员考虑机箱设计时,由于有风扇帮助散热,对导热机构的要求不高,这样在导热机构的考虑上,设计和造工的精度不足,散热效能得不到保证。这一缺憾在高温全密封的环境应用下,更是暴露无遗。如果带风扇的产品使用高质量的导热材料,同样可以有效导出CPU的热量,但是这做法增加了带风扇产品的设计费用,导致成本增加,而选择这类产品的客户恰恰是需要低成本的产品。

  一般机箱内的温度高于机箱外温度,箱内大气压高于箱外大气压。使用风扇吹风散热,风扇所产生的强大气旋,把热气流从机箱内强行抽出机箱外,这样的气压变化,对于人体而言是非常微细的,但是对于机器而言,这样的微细压力变化影响较大,导致带风扇的机器不稳定的情况出现。无风扇散热运用工程热力学原理,环境温度与1UBOX机箱面温度达到热平衡状态,1UBOX利用四周的空气气流流动进行自然散热。这种无风扇的散热方式对机器没有任何的影响,保证机器运行的稳定。

  三.高温测试分析结论:1UBOX在环境温度60下,嵌入式工控机,保持正常工作

  1. 通过实验室测试、常温测试、模拟车内高温环境和模拟实验室高温环境测试表明,1UBOX能在60的高温环境下连续不间断正常工作,硬盘芯片温度、二极管温度、CPU芯片温度均在各自的极限工作温度以下。由此我们可知,1UBOX的散热情况良好,1UBOX能在温度60的高温环境下正常工作。

  2. 1UBOX可实现线UBOX机箱内无风扇,机箱外无风扇)。即使在60的高温环境下,1UBOX同样实现无风扇连续不间断正常运行。

  3. 1UBOX在60的高温环境下可以正常使用,同样可应用于汽车内(车内温度一般在55以下,请见上文车内温度测试),作为车载高温工控电脑使用。

  4. 1UBOX还可应用于多媒体家庭客厅电脑、学生电脑、广告媒体专用电脑、防火墙专用电脑、酒店电脑、VOD、KTV专用电脑、高速公路专用电脑、政府服务窗口专用电脑、医院对外服务窗口等多个领域,1UBOX能在环境温度60下正常运行,在以上领域的应用更是无忧。

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