【电子行业标准(SJ)】 军用电子设备热设计指南

1范围
1.1主题内容
中华人民共和国电子行业军用标准军用电子设备热设计指南
SJ20131—92
Guideof thermal designfor military electronic equipment本标准提供了军用电子设备在研制和设计阶段的热设计与热性能评价的要求和方法。1.2适用范围
本标准适用于陆、海、空军用电子设备的热设计，热分析和热性能评价。也适用于电子元器件的热设计与热分析。
2引用文件
GB/T12992-91
GB/T12993—91
GB/T14278—93
GJB29987
3定义
电子设备强迫风冷热特性测试方法电子设备热性能评定
电子设备热设计术语
电子设备可靠性预计手册
本标准采用GB/T14278的术语定义。4一般要求
4.1电子设备的热环境
4.1.1电子设备热设计时，应了解的工作环境条件包括：冷却剂的种类、温度、湿度、压力和流速；a.
b。设备的表面温度、形状与黑度；c.
电子元器件或设备周围的传热路径。4.1.2地面用电子设备的热环境包括：设备周围空气的温度、混度、气压和空气流速，设备周围物体的形状和黑度，日光照射等。4.1.3舰船用电子设备的热环境包括：设备周围的空气温度、湿度、气压和流速、淡水冷却剂（使用时）的温度，盐募及日光照射等。4.1.4机载电子设备的热环境包括：飞行高度、飞行速度、设备在飞机上的安装位置、有无空调、空调空气的温度和速度等。4.2电子设备热设计基础
中国电子工业总公司1992-11-19发布1993-05-01实施
4.2.1导热
导热换热的热流量按式（1）计算：式中：—导热热流量，W
At温差，℃
R.导热热阻，℃/W。
导热热阻按式（2）计算：
式中：-导热路径长度，m
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入--材料导热系数，W/m.C)
A一与导热热流方向垂直的截面积，m。4.2.2对流换热
4.2.2.1对流换热的热流量按式（3)计算：入A
p=hA(tu)
一对流换热的热流量，W：
式中：中
一对流换热系数，W/m.C)；
A——对流换热面积，m；
t—发热体表面温度，℃；
t-冷却介质温度，℃。
按式（3）计算自然对流换热的热流量时，其换热系数按式（4）计算：he
C(Grpr）
式中；h自然对流换热系数，W/(m2.℃）；入—冷却介质的导热系数，W/(m.℃)；D--特征尺寸（按表1取），m；
系数（由表1查），无量纲；
Pr普朗特数，无量纲；
Gr—格拉晓夫数，无量纲，按式（5)计算：PgAtD2
式中：β--体积膨胀系数，℃-1g-重力加速度，m/s；
At温差，℃
D一一特征尺寸（按表1取），m：U--运动粘度，m/s。
（3）
（5）
表面形状与
竖直平板与
竖直圆柱
横放圆柱
水平板
（热面向下）
水平板”
（热面向下）
10°1Qa
10~109
105~2×107
2×10~3×10m
3×105~3×100
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表1式(4)中的C和n值
特征尺寸
外直径
正方形取边长；
长×宽
长方形取
长十宽：
狭长条取短边；
圆盘取0.9d
b按式（3)计算强迫对流换热的热流量时，其换热系数的计算公式见表2。定性温度取流体平均温度，特征尺寸按表2取，表中雷诺数Re按式（6)计算；Re
式中.V冷却介质的流速，m/s
D--特征尺寸（按表2取），m；
u-冷却介质的运动粘度，m/s。
强迫对流换热系数计算公式
换热面形状
管内流动
沿平板(或平
行柱体)流动
注：a-流体导热系数，W/(m·C)；[—管道长度，m;
一流体动力粘度，pa，8
4.2.2.2对流换热热阻按式(7)计算：h.计算公式
D)/(）a1
（RePr
h=0. 023方RePro.t
式中：h。对流换热系数，W/(m2.℃）。A—对流换热面积，m
4.2.3辐射换热
辐射换热的热流量按式（8)计算：Reo.
特征尺寸
内径或
当量直径
沿流动方向
平板（或柱体）
（6）
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=5. 67e FnA[()-()
式中：—辐射换热热流量，W；
一系统黑度，无量纲，可按式（9）计算；F12—物体1与物体2之间的角系数，无量纲；A辐射换热面积，m
T-热表面的绝对温度，K，
T，一冷表面（或空气)的绝对温度，K。Ext
式中：e—一热表面的黑度，无量纲；82——冷表面的黑度，无量纲。4.3热电模拟
（8）
（9)）
电子设备的热分析可采用热电模拟的方法。将热流量（功耗）模拟为电流I；温差△t模拟为电位差U；热阻R，模拟为电阻R；热导G模拟为电导G，热容模拟为电容C。利用热电等效原理，可以解决稳态和瞬态的热分析问题。4.4热可靠性要求
电子设备热设计应使其在预期的热环境中，元器件的温度控制在可靠性要求的温度范围内，保证设备正常可靠工作。元器件失效率与温度之间的关系应按GJB299的规定计算。4.5冷却方法的选择
应根据发热功耗，环境温度、允许工作温度、可靠性要求，以及尺寸，重量，冷却所需功率，经济性和安全性等因素，选择最简单，最有效的冷却方法。可供选择的冷却方法包括：a.
传导冷却；
自然冷却（导热、自然对流和辐射）；强迫空气冷却；
强迫液体冷却；
蒸发冷却：
其它冷却技术。
4.6热安装要求
电子元器件的热安装要求包括：应提供一条低热阻传热路径，保证元器件的热流量能有效地传至热沉；元器件的排列应有利于导热、对流和辐射换热；元器件的排列对流体流动的阻力应最小；元器件的排列应按其耐热程度，分区排列；元器件安装时，应尽量减小其安装热阻。电子设备的热安装要求包括：
电子设备的热安装应有利于设备与周围环境的换热，保证设备能在预期的热环境中正常工作；
设备的热安装应考虑维修性、可达性和安全性的要求。4.7其它要求
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电子设备的热设计应与电路设计及结构设计同时进行。5详细要求
5.1自然冷却设计要求
5.1.1应最大限度地利用导热、自然对流和插射等简单、可靠的冷却技术。5.1.2应尽可能地缩短传热路径，增大换热（或导热）面积5.1.3应尽量减小元器件安装界面的热阻，元器件的排列与安装应有利于流体的对流换热。5.1.4元器件安装时，应充分考虑周围元器件辑射换热的影响，对靠近热源的热敏感的元器件应采取热屏蔽措施。
5.1.5印制板组装件应有适当的导热措施，如采用导热印制板（导热条、导热板、金属夹芯或热管印制板）。印制板导轨应采用热阻小的导轨，如U形导轨或楔形导轨等。5.1.6应控制印制板组装件之间的间距，一般可控制在19至21mm之间。5.1.7应增大自然冷却机箱表面的黑度，以增强辐射换热能力。5.1.8非密封式机箱的通风孔既应满足散热要求，又应满足电磁兼容和安全的要求。应防止气流短路。
5.2强迫空气冷却设计要求
5.2.1用于冷却电子设备内部元器件的空气必须经过过滤。强迫空气流动方向与自然对流空气流动方向应尽可能一致。
5.2.2冷却空气首先应冷却对热敏感的元器件及工作温度低的元器件。应保证空气有足够的热容量将元器件维持在工作温度范围内。5.2.3入口空气温度与出口空气温度之温差一般不超过14℃5.2.4为防止气流短路，冷却空气的入口与出口位置应远离。5.2.5未经允许，通风孔不得开在机箱的项部。5.2.6工作在湿热环境的风冷电子设备，应避免潮湿空气与元器件直接接触。可采用空芯印制板组装件结构。
5.2.7应尽量减小强追空气冷却系统的气流噪音和通风机的噪声。5.2.8通风机的选择应满足风量和风压的要求，当其中某一项不能满足要求时，可采用通风机的串联（增加风压）或并联（增大风量）。无十分必要时，应尽可能避免申联使用。5.2.9应尽量减小阻力损失。
5.2.10为保证通风系统安全可靠地工作，应在冷却系统中安装控制保护装置（如流量，压力、温度开关等）。
5.2.11通风孔应满足电磁兼容性及安全性的要求。5.2.12大型机柜强迫风冷时，应尽量避免机柜缝隙漏风。5.2.13整机通风系统的通风量可按热平衡方程进行计算：qm
式中：需冷却的热流量，W：
Cp-定压比热，J/(kg·℃)；
(10）
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A——空气出口与入口之间的温差，℃；4m—冷却空气的质量流量，kg/s。5.2.14设计机载电子设备强追空气冷却系统时，应考飞行高度对空气密度的影响问，5.2.15舰船电子设备冷却空气的温度不应低于露点温度。5.3强迫液体冷却设计要求
5.3.1当自然冷却或强迫空气冷却不适用时，可优先选用液体冷却。其冷却剂应优先选用水。水作为真接冷却的冷却剂时，应选用蒸馏水，对一些有特殊要求的设备，则应预先进行去离子处理。
5.3.2冷却系统应确保冷却剂在最高工作温度时，不产生沸腾。在最低工作温度时，不结冰。5.3.3设计液体冷却系统时，应考离冷却剂的热派，机箱应能承受--定的压力。5.3.4直接液体冷却的冷却剂与电子元器件应相容。5.3.5液体冷却的管道系统应采用阻力损失小的结构形式。应选用换热效率高、体积小、重量轻的热交换器。
5.3.6液体冷却系统应配置温度、压力（或流量）控制保护装置。并装有冷却剂过滤装置。5.3.7泵的选择应与冷却剂相容，应符合冷却系统流量与压力的要求。并满足供电条件（如电压)的要求。
5.3.8液体冷却系统要便于维修，管道系统中应装防止冷却剂泄漏的快速自动密封接头和排空装置。
5.3.9为提高对流换热程度，可在设备的适当位置装紊流器。5.4蒸发冷却设计要求
5.4.1设计蒸发冷却系统时，应保证沸聘过程处于核态沸腾。5.4.2冷却剂的沸腾温度应适应系统压力下电路工作可靠性温度的要求。5.4.3直接蒸发冷却时，电子元器件的安装应保证有足够的空间，以利于汽泡的形成和运动。5.4.4直接蒸发冷却时，冷却剂的电阻率、耗散因数及介电强度应与电子器件在电气上相容。
5.4.5直接蒸发冷却时，电子元器件的机械支撑件应能承受沸腾液体运动所产生的压力。5.4.6封闭式蒸发冷却系统应有冷凝器，其二次冷却可用风冷或液冷。蒸发冷却系统要易于维修、并保证在工作压力下安全工作。5.4.7
5.4.8蒸发冷却系统中般应包括下列控保装賣：a.
排气阀、灌液阀：
压力控制阀；
温度保护开关；
液位指示器；
均压管：
液体补给箱。
5.5其它冷却技术设计要求
热管传热设计要求：
热管工质应根据电子元器件的工作温度、汽热化、表面张力和粘度选取；有芯热管的毛细吸液芯应具有足够大的毛细抽吸力和一定的强度。b.
管壳应能承受一定的蒸汽压力；SJ20131-92
管壳、毛细吸液芯和工作液应相容；发热元器件与蒸发段之间、散热器与冷凝段之间的接触界面热阻应减至最小；e.
f.热管使用前要进行真空检漏。5.5.2热电致冷器设计要求：
根据需散热的功耗确定热电致冷堆的结构及电参数（电压和电流），电源波纹系数应a.
小于5%，
b.尽量减少各安装界面的热阻；c.热端的二次冷却可采用自然冷却、风冷或液体冷却；应尽可能降低其热阻。5.6热性能评价
5.6.1热性能测试环境
对电子设备热性能进行评价时，其测试环境应符合相应的工作环境条件的规定。5.6.2热性能评价项目
热性能测试项目包括：
设备的输入功率；
设备的输出功率
设备的外部环境温度；
设备附近的局部空气压力；
设备内部关键部位的空气温度；设备外表面温度；
冷却剂入口温度；
冷却剂出口温度，
冷却剂入口处的静压（和动压）；冷却剂出口处的静压；
冷却剂的流速(或流量）；
温度临界元器件的表面温度；
发热量超过设备总功耗1%的所有元器件的表面温度（功耗相同、安装形式相似的同类元器件，可只测有代表性的某几个元器件的表面温度）；n.
发热量最大的元器件表面温度：温度敏感或可靠性要求高的元器件表面温度，控制和保护性能；
其它有要求的热性能；
上述项目可根据设备设计任务书的要求进行剪裁。5.6.3热性能测试参数的允许误差；a.
温度：士2（℃）；
冷却剂流速或质量流量：士5%：压力：±1%；
功率：±5%；
高度（反映大气压力）：士5%。ewwW.bzxz.Net
5.6.4热性能参数的测试条件
设备在进行热性能测试时，应使设备处于规定的环境条件和最大稳态功耗下工作。不得施加额外的冷却形式。
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5.6.4.2热性能测试期间，应随时检查其电气工作性能并进行记录。5.6.5温度测试
5.6.5.1本标准采用线径小于或等于0.25mm的标准热电偶，其分度值应符合相应国标的规定。
5.6.5.2进行表面温度测试时，热电偶测量头与被测表面之间要保证良好的热接触。热电偶的设应尽量不影响其温度场。
测试平直面时，可在热电偶测量头上附加集热片，再粘贴到被测表面上，或钎焊到被测表面上。
当被测表面不平时，可将测量头直接粘贴到被测表面上。5.6.5.3设备外部的环境温度测试点应设置在距各主要表面中心75mm处。5.6.5.4冷却剂入口，出口温度测试点，应在入口、出口的同一截面内分别敷设若干个测试点，各取其算术平均值。
5.6.6冷却剂流量测试
采用标准孔板传感器，喇叭流量（空气）传感器和涡轮流量传感器等，配用二次仪表进行测试。
具体测试方法按GB/T12992第8.2条和第8.3条规定。5.6.7冷却剂流速测试
冷却剂流速测试方法按GB/T12992第7章规定。5.6.8冷却剂压力测试
5.6.8.1压差小于1500Pa的气体冷却剂，可采用补尝式微压计进行测试。5.6.8.2压差大于1500Pa时，可采用U型管压力计进行测试。5.6.8.3强迫风冷电子设备的压力按GB/T12992第6章的规定进行测试。5.6.9热性能评价报告
根据分析和测试的结果，按GB/T12993第7章的规定编制热性能评价报告。附加说明：
本标准由电子工业总公司科技质量局提出。本标准由中国电子技术标准化研究所归口。本标准由西安电子科技大学，中国电子标准化研究所负责起草。本标准主要起草人：赵交、苏翔、王世萍。计划项目代号：B04008
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