基于TRIZ理論的軍用加固計算機散熱問題探討*

王玉龍，寧 蒙

(中國船舶集團公司第七一三研究所 ，河南 鄭州 450015)

0 引 言

軍用加固計算機作為處理計算信息核心設備，在復雜海上作戰環境中要求其能夠適應各種惡劣的工作環境，如高濕、高溫、腐蝕、強震等。為滿足軍用設備可靠性設計要求，軍用加固計算機在結構上一般設計為金屬的密封箱體。隨著計算機技術的發展，計算機的硬件性能得到了顯著的提高，但伴隨著各板卡性能的提升，其發熱量也顯著的增加。為了使得軍用加固計算機在高溫高濕環境下正常工作，計算機機箱須具備良好的抗高溫散熱性能。由于軍用加固計算機的高封閉性，其散熱處理比較繁瑣，目前多采用熱傳導和強迫風冷的方式進行散熱，因此在散熱過程中風扇引起的噪聲比較大，影響工作人員的正常使用。

前蘇聯的一批研究者在1964年研究各國250萬件專利的基礎上提出了TRIZ理論。他們認為TRIZ理論可提高發明成功率、縮短發明周期及提高問題的可預見性。TRIZ理論經過60年發展已經在日本、美國、蘇聯及一些歐洲國家解決了數以萬計的新品研發難題。筆者采用TRIZ理論的發明問題解決原理，對軍用加固計算機的散熱功能進行了創新設計探討，為新型海軍軍用加固計算機散熱設計提供新思路。

1 TRIZ理論分析

TRIZ理論不僅是面最全面的創新理論[1]，也加快了人們發明創造的進程，提高了創新產品的質量[2]。它是在研究多學科領域原理的基礎上形成的理論體系。技術進化原理是TRIZ理論的核心，技術進化的推動力是解決沖突，解決技術系統的一般矛盾可降低進化速度，解決阻礙其進化的深層次沖突是使其產生突變的唯一方式[3]，再根據TRIZ進化法則定義設計問題中的矛盾沖突，再通過矛盾沖突矩陣、物-場模型、39個工程參數求出該TRIZ 問題的普適解，再參考實際設計中出現的問題、實際使用功能需求、實際設計中出現的各種限制因素，得到實際中問題的特解，消除設計中的矛盾沖突，進而解決問題[4]。圖1 為解決一般發明問題的求解流程。

圖1 問題求解流程

2 問題描述

2.1 加固計算機機箱組成

某艦軍用加固計算機箱體由前面板部件、圍框、后蓋板部件、風機部件組成，結構外形如圖2所示。

圖2 加固計算機箱體結構圖

通過左右側板、上下蓋板組成圍框的主要骨架，前、后面板均使用緊固件安裝在箱體上，形成完成的箱體，如圖3所示。

圖3 加固計算機圍框正面圖

加固計算機正常運行過程中，機箱內部各6U模塊會釋放大量熱量，通過該結構可以給加固計算機散熱，否則影響加固計算機的正常工作使用。

2.2 工作原理

當前某艦船上加固計算機多采用熱傳導和強迫風冷相結合的方式進行散熱。模塊工作時產生的熱量，首先通過傳導的方式傳遞到圍框的上下蓋板上。圍框的上下蓋板設計有風道，采用從前面板進風、后面板出風的強迫風冷散熱方式，通過后面板風扇將熱量帶走。從而實現機箱的散熱。機箱風扇系統如圖4、5所示。

圖4 加固計算機前面板-進風口

2.3 現有解決方案及缺點

當加固計算機在某艦船上正常使用過程中，尤其在夏天后置風扇轉速快，導致噪聲比較大，影響使用人員的正常使用，嚴重時導致誤聽命令，從而影響戰爭指揮決策。

圖5 加固計算機機箱風道流向

針對上述問題，采用傳統優化設計方法，目前機箱散熱設計多采用降低風扇轉速或者在后置風扇中加入溫度傳感器，雖然噪聲在一定程度上得到降低，但是散熱效果會受影響，嚴重時加固計算機的計算性能會損耗。

漕河渡槽原槽身伸縮縫采用了3道止水設計。第1道為埋入式橡膠止水帶，位于結構厚度中部，混凝土澆筑時埋入，止水帶寬352mm，厚8mm；第2道為聚硫密封膠，在止水預留槽下部，厚度2cm；第3道為連體式止水裝置，可更換止水是在混凝土上預留凹槽，預埋螺栓，待混凝土具有一定的強度后裝配上去。這種止水裝置由錨固螺栓、柔性黏結材料、U型橡膠止水帶、止水壓塊和螺母橡膠蓋帽組成，安裝時將止水帶及底部柔性黏結材料壓緊，封堵止水帶與止水槽底面間隙，達到止水效果。

2.4 新系統設計要求

加固計算機正常開機后，散熱效果較好且盡量不產生噪聲或者產生的噪聲不影響使用人員正常工作。另外設計的散熱系統應組裝簡單、環保、低噪聲。

3 功能分析

功能的載體是產品，是其核心、本質、競爭力。用戶欲購買的并非產品本身，而是產品的有用功能。因此分析了解產品的功能結構是非常有意義的。功能分析的主要目的是以圖表的形式表現抽象的系統，使設計者更直觀的了解產品所具備的功能特征，而非從技術的角度去分析系統。因此建立產品的功能模型是非常重要的。

3.1 功能定義

功能作為滿足需求的屬性，從實現角度來講是對技術系統的理解。產品一般分為多個組件，其總體功能的實現主要依靠各組件之間的相互作用。

功能可定義為一個對象作用于其他對象同時改變其他對象技術參數的行為。如圖6所示，組件A與組件B為獨立對象，組件A具有特定的功能并作用于組件B，組件B因受組件A的功能作用改變了其自身的技術參數。一個技術系統需要組件A并非其本身的結構，而是其具備的功能可作為作用主體或工具，作用于系統組件B，組件B通常稱為作用對象。

圖6 組件間的功能關系的圖示表達

從句法表達的角度和功能的定義方面考慮可以采用“動詞+ 名詞”組成的短語來表示[5]。其中，動詞是實現功能的方式，詞匯本身需簡練、準確，并有高度概括性，這是一個功能抽象化的過程，其有助于產生新的方案解。

功能可依據主動元件在系統中起的作用劃分為：充分作用、有害作用、過度作用、不足作用。如圖7所示，要提高技術系統整體的理想度，可進一步調整過度作用與不足作用，并將有害作用消除。

圖7 加固計算機圍框正面圖

3.2 功能模型的建立

TRIZ理論中使用裁剪將系統有用功能重新分配給系統或超系統中的其它組件，裁剪是一種有效的解決發明問題的工具，能夠降低成本、優化系統最終達到消除有害作用的目的。在系統設計過程中，應用裁剪方法的基礎是功能分析，運用功能分析以及裁剪方法可降低成本或復雜程度。

3.3 功能分析

功能的載體是產品，產品的核心、本質和競爭力是功能。用戶要購買的是產品承載與體現的有用功能，而不是產品本身。因此，需要對產品的功能結構進行詳細了解，充分分析產品的功能。在分析產品時應從功能的角度分析，將抽象的系統轉化為具體圖表，這樣更有助于設計者更加直觀的了解產品必須具備的功能與特征，從而進行創新設計。設計者在分析產品的的過程中最重要的是建立產品功能模型。

通過圖8可知，加固計算機在正常使用過程中，各模塊會產生大量的熱量，因此模塊產生發熱是有害作用；另外通過機箱風扇可以將各板卡模塊產生的部分熱量去除，但是風扇在轉動的過程中，會產生噪聲，影響操作人員指揮使用，因此風扇產生噪聲是有害作用；同時，熱量通過風道流通不順暢作用也是不足的，從而影響了整個散熱系統功能實現的理想度。

圖8 加固計算機機箱散熱功能模型

4 問題解決

應用TRIZ工具中的沖突解決理論、功能裁剪等，得到所有創新解，并確立最終解。

首先根據已有產品技術系統的功能模型，如圖8所示，發現功能模型中的有害作用、不足作用及過剩作用等問題，如圖9所示。

TRIZ中一條重要的進化路線是裁剪，通過裁剪將系統中某些組件或元件去除，而系統本身仍然能夠保留有用的功能。在分析產品功能時，裁剪作為一個重要的步驟，它的目的是研究各個功能點是否為必需，當該功能點是必需時，判斷系統的其它元件是否可完成有用功能。

由上述分析可知，問題的組件是“風扇”和“風道”，需對問題組件進行裁剪分析。由裁剪規則四可知，當主動組件的功能能夠被新組件完成時，該主動組件的作用可以被裁剪掉，因此采用一個新的組件來實現機箱散熱且不會產生噪聲的功能，將“風扇”和“風道”進行裁剪，裁剪后的功能模型如圖10所示。

圖9 裁剪功能模型

圖10 裁剪后功能模型

經過裁剪后，模塊產生的熱量無法傳遞至機箱外，可以通過以下方法解決此問題。

由于該加固計算機多由于海上艦船，因此可通過吸收海水通過入口進入腔體內進行循環，將CPU等模塊產生的熱量快速進行冷卻，保證了加固計算機具有良好的散熱效果，實用性強。

其中加固計算機分為三個區域，上中下分別為散熱區、硬件區、散熱區，并且三區之間相互獨立且封閉，散熱區放置冷卻水腔體，硬件區放置各模塊。加固計算機內部模塊分別硬件區上表面和下表面通過散熱銅塊相接觸，上冷卻水腔體與下側表面采用硅脂材料接觸，下冷卻水腔體與上側表面采用硅脂材料接觸，可將熱量從接觸面通過導熱硅脂傳入溫度低的冷卻水腔體，從而將熱量帶走，如圖11所示。

冷卻水腔體采用平面結構，如圖12和13所示，較管狀結構與熱源接觸面更大，散熱效果會更好。本方案為新型海軍加固計算機散熱設計提供新的設計思路和思考方向，但是該設計方案的可靠性還需進一步的試驗驗證。

圖11 改進后加固計算機正面圖

圖12 冷卻水腔體平面圖 圖13 冷卻水腔體平面圖

5 結 語

基于TRIZ中的功能裁剪的解決理論，針對加固計算機的散熱和降噪問題進行了創新設計，一方面通過傳輸流動的冷媒水結構加強了散熱效果；另一方面低溫海水得到優化再利用，在海上艦船具有較高的參考價值，為下一代海軍加固計算機提供新解決方案。