WJ 20309—2016《軍用計算機數(shù)字化熱設(shè)計與分析要求》標準解析

段紅 歐陽長青

[摘 要] 對兵器行業(yè)標準WJ 20309-2016《軍用計算機數(shù)字化熱設(shè)計與分析要求》中關(guān)于密閉式軍用計算機和非密閉式軍用計算機的熱設(shè)計過程中包含的主要技術(shù)要素和數(shù)字化熱分析等主要技術(shù)內(nèi)容進行了分析，為正確理解和使用本標準提供參考。

[關(guān)鍵詞] 軍用計算機；數(shù)字化；熱設(shè)計；分析

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 07. 037

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2019）07- 0094- 03

0 引言

軍用計算機是軍事裝備的重要組成部分，戰(zhàn)爭環(huán)境的惡劣及現(xiàn)代高科技電子戰(zhàn)對軍用計算機的可靠運行提出了更高要求，研發(fā)人員需要解決軍用計算機的諸如電磁兼容性設(shè)計、熱設(shè)計、防振動抗沖擊設(shè)計等物理設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，而其中軍用計算機的熱設(shè)計是保證其可靠運行的重要手段。

由中國兵器裝備集團自動化研究所起草的WJ 20309-2016《軍用計算機數(shù)字化熱設(shè)計與分析要求》就是對軍用計算機數(shù)字化熱設(shè)計與分析經(jīng)驗的總結(jié)。

本文著重解析密閉式軍用計算機和非密閉式軍用計算機熱設(shè)計過程中包含的各技術(shù)要素和數(shù)字化熱仿真的基本要求、一般步驟等主要內(nèi)容。

1 密閉式軍用計算機的熱設(shè)計

1. 1 冷卻方法的選擇

軍用計算機主要采用自然冷卻、強迫空氣冷卻、間接液體冷卻、熱管傳熱等4種冷卻方法。對于密閉式軍用計算機可選擇自然冷卻方法，主要傳熱方式應(yīng)采用金屬導(dǎo)熱。

1. 2 內(nèi)部元器件的布局安裝設(shè)計

（1） 元器件的布局應(yīng)符合氣流的流動特性及有利于提高氣流紊流程度；

（2） 元器件的布局應(yīng)根據(jù)其允許溫度分類，按照耐熱程度遞增的方式布局；

（3）應(yīng)盡可能減小安裝界面的熱阻及傳熱途徑的熱阻；

（4）盡量降低空氣或其他冷卻劑的溫度梯度；

（5）對溫度敏感的熱敏器件應(yīng)安裝在冷區(qū)，不應(yīng)安放在發(fā)熱器件的周邊；

（6）將高溫元器件安裝在內(nèi)表面黑度高、外表面黑度低的箱體中，這些箱體與散熱器應(yīng)有良好的導(dǎo)熱連接；

（7）減少高溫和低溫元器件之間的輻射耦合，加屏蔽板形成熱區(qū)與冷區(qū)；

（8）以傳導(dǎo)冷卻的元器件宜獨立安裝在導(dǎo)熱構(gòu)件上；

（9）不發(fā)熱元器件宜安裝于箱體內(nèi)溫度最低的區(qū)域；

（10）元器件導(dǎo)線是重要的導(dǎo)熱通路，引線盡可能粗大；

（11）功率電阻安裝可采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施以對減少周邊元器件的熱輻射；

（12）半導(dǎo)體應(yīng)減少從大熱源及金屬導(dǎo)熱通路的發(fā)熱部分吸收熱量，可采取隔熱屏蔽板措施；

（13）變壓器和電感應(yīng)減小與其他器件間的相互熱作用，宜將它安裝在箱體內(nèi)的單獨一角或安裝在一個獨立的箱體內(nèi)。

1. 3 印制電路板的自然冷卻設(shè)計

1. 3.1 材料的選擇

（1）宜選用新型合金、樹脂石墨纖維、粉末加強復(fù)合材料等高導(dǎo)熱材料；

（2）導(dǎo)熱條（板）通常選用導(dǎo)熱性能好的銅、鋁合金制成。

1. 3.2 印制電路板上元器件排布要求

（1）用熱仿真軟件對印制電路板進行熱分析，對內(nèi)部最高溫升進行設(shè)計控制；

（2）把發(fā)熱高、輻射大的元器件專門設(shè)計安裝在一個印制板上；

（3）板面熱容量均勻分布，盡量不要把大功耗器件集中布放，如無法避免，則要把矮的元器件放在氣流的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū)；

（4）使傳熱橫截面盡可能的大；

（5）元器件布局應(yīng)考慮到對周圍零件熱輻射的影響。對熱敏感的部件、元器件（含半導(dǎo)體器件）應(yīng)遠離熱源或?qū)⑵涓綦x；

（6）液態(tài)介質(zhì)的電容器應(yīng)遠離熱源；

（7）附加子板、元器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致；

（8）發(fā)熱元器件應(yīng)盡可能地置于印制板的上方，條件允許時應(yīng)處于氣流通道上；

（9）熱量較大或電流較大的元器器件不能放置在印制板的角落和四周邊緣，盡量安裝于散熱器上，并遠離其他器件，并保證散熱通道通暢；

（10）信號放大器外圍器件盡量采用溫漂小的元器件；

（11）盡可能地利用金屬機箱或底盤散熱。

1. 3.3 布線要求

（1）大電流線條盡量布置在印制板表面層，在不能滿足要求的條件下，可考慮采用匯流排；

（2）熱應(yīng)力點考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條；

（3）散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法，利用散熱阻焊適當(dāng)開窗，宜采用表面大面積銅箔，并根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計算合適的表面散熱銅箔面積；

（4）對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤，以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進行散熱；

（5）盡可能多安放金屬化過孔， 且孔徑、盤面盡量大，依靠過孔幫助散熱。

1. 4 機箱的熱設(shè)計

密閉式軍用計算機機箱應(yīng)作為自然冷卻散熱通道，在熱設(shè)計時可采用以下方法：

（1）增加箱體內(nèi)表面的黑度；

（2）降低箱體內(nèi)表面與發(fā)熱器件接觸面的表面粗糙度值；

（3）盡量增大箱體散熱面積。

1. 5 散熱器的選擇

對于熱流密度較高的元器件，自然對流溫升過高時，可以選用散熱器以增加散熱表面。選擇散熱器時應(yīng)根據(jù)公式（1）和公式（2）計算出擬選擇散熱器應(yīng)小于的熱阻R■值，再根據(jù)GB7423.3-1987查得選擇的散熱器熱阻R■只要低于R■就能滿足熱設(shè)計要求。

Rt=（tj-ta）/P（1）

R■=Rt-Rj-Rb（2）

公式（1）和公式（2）中：

Rt-總熱阻；

tj-元器件結(jié)溫；

ta-環(huán)境溫度；

P-元器件功率；

R■-擬選散熱器應(yīng)小于的熱阻；

Rj-元器件內(nèi)熱阻；

Rb-界面熱阻。

公式（1）和公式（2）中的tj、Rj、P可由元器件手冊查出，ta 和Rb由所需熱設(shè)計的密閉式軍用計算機工作環(huán)境得出。

2 非密閉式軍用計算機的熱設(shè)計

2.1 冷卻方法的選擇

非密閉式軍用計算機當(dāng)其熱流密度超過0.08 W/cm2，體積功率密度超過0.18 W/cm3，采用強迫空氣冷卻方式。

2.2 熱計算

非密閉式軍用計算機的熱計算參考GJB/Z27-1992中9.1的規(guī)定進行。

2.3 通風(fēng)機的選用

選擇通風(fēng)機時主要考慮風(fēng)量和風(fēng)壓這兩個主要參數(shù)。根據(jù)軍用計算機風(fēng)量系統(tǒng)所需風(fēng)量和風(fēng)壓及空間大小確定通風(fēng)機的類型。當(dāng)要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低的設(shè)備，盡量采用軸流式通風(fēng)機，反之，則采用離心式通風(fēng)機。通風(fēng)機的選擇應(yīng)考慮與系統(tǒng)的匹配。

當(dāng)通風(fēng)機的風(fēng)量足夠而風(fēng)壓不足時，可采用通風(fēng)機串聯(lián)工作方式；當(dāng)通風(fēng)機的風(fēng)壓足夠而風(fēng)量不足時，可采用通風(fēng)機并聯(lián)使用的方式。

2.4 強迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

強迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計主要是將熱源的工作溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以及盡可能減少冷卻系統(tǒng)輸送空氣所需的冷卻功率。同時也應(yīng)盡量減少冷卻系統(tǒng)的體積、重量、成本及降低噪音等。強迫空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計的步驟包括：

（1）確定冷卻空氣入口和出口的溫度和壓力；

（2）根據(jù)可靠性要求確定每個元器件的最高允許溫度；

（3）根據(jù)電特性和空間位置以及冷卻功率的要求確定每個元器件的排列和布置方式；

（4）確定雷諾數(shù)；

（5）根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和確定的雷諾數(shù)，計算空氣流過每個元器件或元器件組的質(zhì)量流量；

（6）計算系統(tǒng)的總壓力損失及需要的冷卻功率。

2.5 系統(tǒng)壓力損失及計算

通風(fēng)系統(tǒng)壓力損失包括沒和阻力損失和局部阻力損失兩種。沒和損失是由氣流相互運動產(chǎn)生的阻力及氣流與系統(tǒng)（或管道）的摩擦所引起的，局部阻力損失是氣流方向發(fā)生變化或管道截面發(fā)生突變所引起的損失。具體計算參考GJB/Z 27-1992中9.3的規(guī)定。

2.6 內(nèi)部元器件的布局安裝設(shè)計

箱體內(nèi)部元器件的布局安裝設(shè)計按本文1.2.2的要求進行。

2.7 印制電路板的強迫空氣冷卻設(shè)計

印制電路板的強迫空氣冷卻設(shè)計按本文1.2.3的要求進行。

2.8 風(fēng)道的設(shè)計

風(fēng)道設(shè)計應(yīng)滿足以下基本原則：

（1）盡量采用直通風(fēng)道，避免氣流的轉(zhuǎn)彎，在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方，應(yīng)采用導(dǎo)風(fēng)板使氣流逐漸轉(zhuǎn)向，使壓力損失達到最小；

（2）盡量避免風(fēng)道的驟然擴展和收縮；

（3）進出風(fēng)口設(shè)置距離應(yīng)盡量遠，防止氣流短路；

（4）在機箱的面板、側(cè)板、后板沒有特別要求一般不要開通風(fēng)孔，防止氣流短路；

（5）風(fēng)道設(shè)計時為避免上游插框的熱量帶入下游插框，可以采用獨立風(fēng)道，分開散熱；

（6）風(fēng)道設(shè)計應(yīng)保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區(qū)和低速區(qū)產(chǎn)生熱點；

（7）對于并聯(lián)風(fēng)道應(yīng)根據(jù)各風(fēng)道散熱量的要求分配風(fēng)量， 避免風(fēng)道阻力不合理布局造成的風(fēng)道高低壓區(qū)短路。

2.9 機箱的設(shè)計

非密閉式軍用計算機的機箱應(yīng)滿足下列要求：

（1）進氣孔應(yīng)設(shè)置在機箱下側(cè)或底部，但不要過低，以避免外部物質(zhì)或水滴濺入機箱內(nèi)部；

（2）排氣孔應(yīng)設(shè)置在靠近機箱的頂部，但不要設(shè)置在機箱的頂部，以免外部物質(zhì)或水滴落入機箱內(nèi)部；

（3）空氣應(yīng)自機箱的下方向上循環(huán)，應(yīng)采用專用的進氣孔或排氣孔；

（4）應(yīng)使冷卻空氣從熱源流過，防止氣流短路；

（5）應(yīng)在進氣孔設(shè)置過濾網(wǎng)，防止異物進入機箱。

3 軍用計算機數(shù)字化熱分析

3.1 熱仿真設(shè)計的基本要求

Flotherm軟件是專門用于電子設(shè)備冷卻的熱控分析軟件，在方案設(shè)計階段，用軟件預(yù)測熱設(shè)計的可行性，優(yōu)化主要元器件的位置、通風(fēng)孔和通風(fēng)機的大小、位置；確定系統(tǒng)的溫升，找出系統(tǒng)中的熱點和死點，了解系統(tǒng)中通過風(fēng)機、排風(fēng)孔的空氣在印制電路板間的流動；在詳細設(shè)計階段用軟件驗證方案階段分析結(jié)果的準確性；估計印制電路板上元器件的溫度；精確計算元器件周圍的空氣溫度；確定芯片的結(jié)溫、元器件的溫度、優(yōu)化散熱器設(shè)計等。

3.2 Flotherm熱仿真步驟

3.2.1 建立模型

根據(jù)實際的系統(tǒng)，用Flotherm 提供的各種工具，在畫圖窗口中建立對應(yīng)的模型，也可從CAD軟件中導(dǎo)入已建好的三維模型；在建模時，對實際系統(tǒng)中那些對熱分析影響不大的零部件，要進行簡化。

3.2.2 賦于屬性

模型中的每一個物體，都要賦予適當(dāng)?shù)膶傩裕@些屬性包括位置、大小、材料、表面狀況、熱方面的性能等。賦予的方法是：選中該物體，點右鍵，彈出菜單，選擇要賦予的屬性項。

3.2.3 設(shè)置求解域和相應(yīng)的邊界條件

求解域是熱分析軟件求解器計算的空間區(qū)域，它可以和建立的模型相同大小，也可以大于模型。一般在強迫空氣冷卻的情況下，求解域與模型等大，在自然冷卻時，求解域大于模型。

邊界條件是賦予求解域六個面的空氣壓力、空氣溫度、對流換熱系數(shù)、空氣沿三個方向的速度，求解器會根據(jù)模型的情況，在計算時選取上述六個參數(shù)中的某些參數(shù)。

3.2.4 劃分網(wǎng)格

模型建好后，在求解前，需要劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的一般原則是：

（1）關(guān)鍵點公差設(shè)置為1至2；

（2）網(wǎng)格的長寬比小于等于50；

（3）網(wǎng)格任意方向的大小要大于求解域；

（4）網(wǎng)格大小在某個方向的變化要漸進，不能太劇烈；

（5）靠近邊界的地方，網(wǎng)格要小。

3.2.5 求解

設(shè)置好重力方向（系統(tǒng)默認為Y-）、環(huán)境溫度、壓力等系統(tǒng)參數(shù)后，就可以求解。在求解前，要對模型進行自動檢查，F(xiàn)lotherm 會給出系統(tǒng)存在的信息、警告和錯誤。

3.2.6 分析結(jié)果

求解收斂后，查看計算的結(jié)果有三種方法：

（1）在 Visualization Window 的窗口中可以顯示求解域中最大的溫度（壓力、速度）及其位置；可以沿 X、Y、Z三個方向生成截面，用云圖的方法顯示截面上每個網(wǎng)格的溫度（壓力、速度）；可以用鼠標作為探測器，顯示出截面上每個網(wǎng)格的溫度（壓力、速度）值；可以顯示等溫面；可以顯示流場中一條線上各點流動的軌跡等；

（2）在 Table 表中可以用表格的形式，列出模型中各個物體的名稱、屬性；列出求解域中每個網(wǎng)格的溫度（壓力、速度）值；列出通過每個面的空氣流量、散發(fā)的熱量及平均溫度；列出風(fēng)扇的工作點等；

（3）用 Flomation 可以仿真系統(tǒng)中空氣的流動。

4 結(jié) 論

軍用計算機的熱設(shè)計是采用適當(dāng)可靠的方法控制計算機內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過穩(wěn)定運行要求的最高溫度，以保證軍用計算機正常運行的安全性，長期運行的可靠性。因為高溫對絕大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴重影響，會導(dǎo)致電子元器件的失效，進而引起軍用計算機甚至整個軍事裝備的失效。

本標準在國內(nèi)同類標準的編制尚屬首次，它不僅在技術(shù)內(nèi)容上具有科學(xué)性、先進性和實用性，而且可操作性好，填補了在兵器行業(yè)中軍用計算機數(shù)字化熱設(shè)計領(lǐng)域的空白，對軍用計算機類電子設(shè)備的設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量具有重要意義。

主要參考文獻

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