| 标题 | WJ 20309—2016《军用计算机数字化热设计与分析要求》标准解析 |
| 范文 | 段红 欧阳长青 [摘 要] 对兵器行业标准WJ 20309-2016《军用计算机数字化热设计与分析要求》中关于密闭式军用计算机和非密闭式军用计算机的热设计过程中包含的主要技术要素和数字化热分析等主要技术内容进行了分析，为正确理解和使用本标准提供参考。 [关键词] 军用计算机；数字化；热设计；分析 doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 07. 037 [中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2019）07- 0094- 03 0 引言 军用计算机是军事装备的重要组成部分，战争环境的恶劣及现代高科技电子战对军用计算机的可靠运行提出了更高要求，研发人员需要解决军用计算机的诸如电磁兼容性设计、热设计、防振动抗冲击设计等物理设计关键技术，而其中军用计算机的热设计是保证其可靠运行的重要手段。 由中国兵器装备集团自动化研究所起草的WJ 20309-2016《军用计算机数字化热设计与分析要求》就是对军用计算机数字化热设计与分析经验的总结。 本文着重解析密闭式军用计算机和非密闭式军用计算机热设计过程中包含的各技术要素和数字化热仿真的基本要求、一般步骤等主要内容。 1 密闭式军用计算机的热设计 1. 1 冷却方法的选择 军用计算机主要采用自然冷却、强迫空气冷却、间接液体冷却、热管传热等4种冷却方法。对于密闭式军用计算机可选择自然冷却方法，主要传热方式应采用金属导热。 1. 2 内部元器件的布局安装设计 （1） 元器件的布局应符合气流的流动特性及有利于提高气流紊流程度； （2） 元器件的布局应根据其允许温度分类，按照耐热程度递增的方式布局； （3）应尽可能减小安装界面的热阻及传热途径的热阻； （4）尽量降低空气或其他冷却剂的温度梯度； （5）对温度敏感的热敏器件应安装在冷区，不应安放在发热器件的周边； （6）将高温元器件安装在内表面黑度高、外表面黑度低的箱体中，这些箱体与散热器应有良好的导热连接； （7）减少高温和低温元器件之间的辐射耦合，加屏蔽板形成热区与冷区； （8）以传导冷却的元器件宜独立安装在导热构件上； （9）不发热元器件宜安装于箱体内温度最低的区域； （10）元器件导线是重要的导热通路，引线尽可能粗大； （11）功率电阻安装可采取适当的冷却措施以对减少周边元器件的热辐射； （12）半导体应减少从大热源及金属导热通路的发热部分吸收热量，可采取隔热屏蔽板措施； （13）变压器和电感应减小与其他器件间的相互热作用，宜将它安装在箱体内的单独一角或安装在一个独立的箱体内。 1. 3 印制电路板的自然冷却设计 1. 3.1 材料的选择 （1）宜选用新型合金、树脂石墨纤维、粉末加强复合材料等高导热材料； （2）导热条（板）通常选用导热性能好的铜、铝合金制成。 1. 3.2 印制电路板上元器件排布要求 （1）用热仿真软件对印制电路板进行热分析，对内部最高温升进行设计控制； （2）把发热高、辐射大的元器件专门设计安装在一个印制板上； （3）板面热容量均匀分布，尽量不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元器件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区； （4）使传热横截面尽可能的大； （5）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离； （6）液态介质的电容器应远离热源； （7）附加子板、元器件风道与通风方向一致； （8）发热元器件应尽可能地置于印制板的上方，条件允许时应处于气流通道上； （9）热量较大或电流较大的元器器件不能放置在印制板的角落和四周边缘，尽量安装于散热器上，并远离其他器件，并保证散热通道通畅； （10）信号放大器外围器件尽量采用温漂小的元器件； （11）尽可能地利用金属机箱或底盘散热。 1. 3.3 布线要求 （1）大电流线条尽量布置在印制板表面层，在不能满足要求的条件下，可考虑采用汇流排； （2）热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条； （3）散热铜皮需采用消热应力的开窗法，利用散热阻焊适当开窗，宜采用表面大面积铜箔，并根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积； （4）对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘，以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热； （5）尽可能多安放金属化过孔， 且孔径、盘面尽量大，依靠过孔帮助散热。 1. 4 机箱的热设计 密闭式军用计算机机箱应作为自然冷却散热通道，在热设计时可采用以下方法： （1）增加箱体内表面的黑度； （2）降低箱体内表面与发热器件接触面的表面粗糙度值； （3）尽量增大箱体散热面积。 1. 5 散热器的选择 对于热流密度较高的元器件，自然对流温升过高时，可以选用散热器以增加散热表面。选择散热器時应根据公式（1）和公式（2）计算出拟选择散热器应小于的热阻R■值，再根据GB7423.3-1987查得选择的散热器热阻R■只要低于R■就能满足热设计要求。 Rt=（tj-ta）/P（1） R■=Rt-Rj-Rb（2） 公式（1）和公式（2）中： Rt-总热阻； tj-元器件结温； ta-环境温度； P-元器件功率； R■-拟选散热器应小于的热阻； Rj-元器件内热阻； Rb-界面热阻。 公式（1）和公式（2）中的tj、Rj、P可由元器件手册查出，ta 和Rb由所需热设计的密闭式军用计算机工作环境得出。 2 非密闭式军用计算机的热设计 2.1 冷却方法的选择 非密闭式军用计算机当其热流密度超过0.08 W/cm2，体积功率密度超过0.18 W/cm3，采用强迫空气冷却方式。 2.2 热计算 非密闭式军用计算机的热计算参考GJB/Z27-1992中9.1的规定进行。 2.3 通风机的选用 选择通风机时主要考虑风量和风压这两个主要参数。根据军用计算机风量系统所需风量和风压及空间大小确定通风机的类型。当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则采用离心式通风机。通风机的选择应考虑与系统的匹配。 当通风机的风量足够而风压不足时，可采用通风机串联工作方式；当通风机的风压足够而风量不足时，可采用通风机并联使用的方式。 2.4 强迫空气冷却系统的设计 强迫空气冷却系统的设计主要是将热源的工作温度控制在规定的范围内，以及尽可能减少冷却系统输送空气所需的冷却功率。同时也应尽量减少冷却系统的体积、重量、成本及降低噪音等。强迫空气冷却系统设计的步骤包括： （1）确定冷却空气入口和出口的温度和压力； （2）根据可靠性要求确定每个元器件的最高允许温度； （3）根据电特性和空间位置以及冷却功率的要求确定每个元器件的排列和布置方式； （4）确定雷诺数； （5）根据系统的结构尺寸和确定的雷诺数，计算空气流过每个元器件或元器件组的质量流量； （6）计算系统的总压力损失及需要的冷却功率。 2.5 系统压力损失及计算 通风系统压力损失包括没和阻力损失和局部阻力损失两种。没和损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与系统（或管道）的摩擦所引起的，局部阻力损失是气流方向发生变化或管道截面发生突变所引起的损失。具体计算参考GJB/Z 27-1992中9.3的规定。 2.6 内部元器件的布局安装设计 箱体内部元器件的布局安装设计按本文1.2.2的要求进行。 2.7 印制电路板的强迫空气冷却设计 印制电路板的强迫空气冷却设计按本文1.2.3的要求进行。 2.8 风道的设计 风道设计应满足以下基本原则： （1）尽量采用直通风道，避免气流的转弯，在气流急剧转弯的地方，应采用导风板使气流逐渐转向，使压力损失达到最小； （2）尽量避免风道的骤然扩展和收缩； （3）进出风口设置距离应尽量远，防止气流短路； （4）在机箱的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路； （5）风道设计时为避免上游插框的热量带入下游插框，可以采用独立风道，分开散热； （6）风道设计应保证插框单板或模块散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点； （7）对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量， 避免风道阻力不合理布局造成的风道高低压区短路。 2.9 机箱的设计 非密闭式军用计算机的机箱应满足下列要求： （1）进气孔应设置在机箱下侧或底部，但不要过低，以避免外部物质或水滴溅入机箱内部； （2）排气孔应设置在靠近机箱的顶部，但不要设置在机箱的顶部，以免外部物质或水滴落入机箱内部； （3）空气应自机箱的下方向上循环，应采用专用的进气孔或排气孔； （4）应使冷却空气从热源流过，防止气流短路； （5）应在进气孔设置过滤网，防止异物进入机箱。 3 军用计算机数字化热分析 3.1 热仿真设计的基本要求 Flotherm软件是专门用于电子设备冷却的热控分析软件，在方案设计阶段，用软件预测热设计的可行性，优化主要元器件的位置、通风孔和通风机的大小、位置；确定系统的温升，找出系统中的热点和死点，了解系统中通过风机、排风孔的空气在印制电路板间的流动；在详细设计阶段用软件验证方案阶段分析结果的准确性；估计印制电路板上元器件的温度；精确计算元器件周围的空气温度；确定芯片的结温、元器件的温度、优化散热器设计等。 3.2 Flotherm热仿真步骤 3.2.1 建立模型 根据实际的系统，用Flotherm 提供的各种工具，在画图窗口中建立对应的模型，也可从CAD软件中导入已建好的三维模型；在建模时，对实际系统中那些对热分析影响不大的零部件，要进行简化。 3.2.2 赋于属性 模型中的每一个物体，都要赋予适当的属性，这些属性包括位置、大小、材料、表面状况、热方面的性能等。赋予的方法是：选中该物体，点右键，弹出菜单，选择要赋予的属性项。 3.2.3 设置求解域和相应的边界条件 求解域是熱分析软件求解器计算的空间区域，它可以和建立的模型相同大小，也可以大于模型。一般在强迫空气冷却的情况下，求解域与模型等大，在自然冷却时，求解域大于模型。 边界条件是赋予求解域六个面的空气压力、空气温度、对流换热系数、空气沿三个方向的速度，求解器会根据模型的情况，在计算时选取上述六个参数中的某些参数。 3.2.4 划分网格 模型建好后，在求解前，需要划分网格。网格划分的一般原则是： （1）关键点公差设置为1至2； （2）网格的长宽比小于等于50； （3）网格任意方向的大小要大于求解域； （4）网格大小在某个方向的变化要渐进，不能太剧烈； （5）靠近边界的地方，网格要小。 3.2.5 求解 设置好重力方向（系统默认为Y-）、环境温度、压力等系统参数后，就可以求解。在求解前，要对模型进行自动检查，Flotherm 会给出系统存在的信息、警告和错误。 3.2.6 分析结果 求解收斂后，查看计算的结果有三种方法： （1）在 Visualization Window 的窗口中可以显示求解域中最大的温度（压力、速度）及其位置；可以沿 X、Y、Z三个方向生成截面，用云图的方法显示截面上每个网格的温度（压力、速度）；可以用鼠标作为探测器，显示出截面上每个网格的温度（压力、速度）值；可以显示等温面；可以显示流场中一条线上各点流动的轨迹等； （2）在 Table 表中可以用表格的形式，列出模型中各个物体的名称、属性；列出求解域中每个网格的温度（压力、速度）值；列出通过每个面的空气流量、散发的热量及平均温度；列出风扇的工作点等； （3）用 Flomation 可以仿真系统中空气的流动。 4 结 论 军用计算机的热设计是采用适当可靠的方法控制计算机内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证军用计算机正常运行的安全性，长期运行的可靠性。因为高温对绝大多数电子元器件将产生严重影响，会导致电子元器件的失效，进而引起军用计算机甚至整个军事装备的失效。 本标准在国内同类标准的编制尚属首次，它不仅在技术内容上具有科学性、先进性和实用性，而且可操作性好，填补了在兵器行业中军用计算机数字化热设计领域的空白，对军用计算机类电子设备的设计水平和设计质量具有重要意义。 主要参考文献 [1]WJ 20309-2016 军用计算机数字化热设计与分析要求[S].2016. [2]GJB 322A-1998 军用计算机通用规范[S].1998. [3]GJB/Z 27-1992 电子设备可靠性热设计手册[S].1992. [4]GJB/Z 35-1993 元器件降额准则[S].1993. |
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