Схема РЭC такой конструкции используется в проектировании устройств на пассивных элементах, микромодулях и интегральных схемах, которые располагаются на одинаковых монтажных платах, кассетах с одной или с обеих сторон. Учитывая основной механизм переноса тепла в аппарате с нагретой зоной, образованной совокупностью кассет, их подразделяют на три группы:
1. Все аппараты, нагретая зона которых образована совокупностью горизонтально-ориентированных кассет. Это могут быть и вертикально-ориентированные кассеты, где величина зазора между платами и корпусом мала (2-3 мм). В эту группу заносятся все блоки, залитые компаундом. Основной механизм переноса тепла - кондукция через твердые части конструкции, а также кондукция и излучение в газовых зазорах между ними. В аппаратах этой группы отсутствуют сквозные потоки воздуха.
2. Все аппараты, нагретая зона которых образована системой вертикально-ориентированных кассет (зазоры >5 мм). Теплообмен происходит в основном за счет конвекции. Наряду с этим есть теплопередачи за счет кондукции и излучения в зазорах. В таких аппаратах между кассетами существуют сквозные конвективные потоки воздуха.
3. В аппаратах этой группы между нагретой зоной и корпусом отсутствует зазор, роль корпуса выполняют рамки, полностью или частично охватывающие кассету, перенос тепла от центра нагретой зоны к её периферии заходит за счет кондукции. Для увеличения теплопередачи внутри нагретой зоны часто располагают металлические шины.
Рассмотрим температурное поле аппаратов кассетной конструкции.
При равномерном распределении мощности источников по объему нагретой зоны (случай квазиоднородного тела) максимальное значение температуры t0 будет приходиться на ее центр. Перегрев любой точки j аппарата можно определить по формуле
Vj=V0-Vз , (148)
где V0 = t0-tc – перегрев центра зоны относительно среды; Vз – перегрев поверхности нагретой зоны равна tз-tc.
Видно, что задача сводится к определению tз и t0. Опыт показывает, что t0 является функцией следующих параметров:
Lx,Ly,Lz – размеры нагретой зоны, причем Ly – ее высота;
ln, lm – коэффициенты теплопроводности монтажной платы и модуля. Система анизотропна и вдоль соответствующих осей они будут принимать соответствующие значения (например, lmy, lmz);
n – концентрации тепловыделяющих элементов. Их число неодинаково в разных направлениях, поэтому учитывается (nx,ny,nz);
m – количество монтажных плат;
tз – средняя поверхностная температура нагретой зоны.
Значения этих параметров позволят с использованием коэффициентного метода расчета вычислить температуру в центре нагретой зоны:
t0=tc×klm×kln×km×knx×kny×knz×kLy/Lx×kLy/Lz×kLy×ktз . (149)
11.2.7.1 Алгоритм расчета теплового режима аппаратов
кассетной конструкции группы 1
Исходные данные: эффективный коэффициент теплопроводности платы ln, эффективный коэффициент теплопроводности модуля lm, число плат m, а для расчета нагретой зоны – геометрические размеры зоны Lx,Ly,Lz, t среды, степень черноты x мощность источников тепла Ф.
Необходимо вычислить температуру в центре нагретой зоны t0.
Расчет:
1. По формуле (121) определяют Dtзк и соответствующий коэффициент ktз.
2. По известным ln и lm находят соответствующие коэффициенты kln и klm.
3. Рассчитывают концентрацию элементов по соответствующим координатным осям:
, (150)
где Lx,Ly,Lz – габаритные размеры нагретой зоны РЭС; lm1,hm,lm2 – длина, высота и ширина модуля; m – число плат.
4. По этим данным находят значения коэффициентов knx,kny,knz.
5. Вычисляют отношение размеров нагретой зоны Ly/Lx, Ly/Lz и соответствующие коэффициенты.
6. По формуле (149) определяют t0.
Аппараты группы 2
Существование больших зазоров между вертикально ориентированными платами приводит к тому, что между кассетами циркулируют конвективные потоки воздуха. Это налагает дополнительные условия и вносит определенные сложности в расчет. Причиной движения воздушных потоков в аппарате с герметичным корпусом является разность плотностей воздуха, нагретого в средней части и более холодного у стенок корпуса.
Анализ характера потоков воздуха у стенок и плат позволяет перейти от реального аппарата к его тепловой модели, в которой полагают, что воздух течет внутри гладких каналов и не претерпевает завихрений у поверхности реальных деталей. При этом нагретая зона образуется совокупностью плат с элементами и зазоров между платами. Для этого вводятся понятия:
1. Эффективная толщина платы
, (151)
где d - толщина платы; Lx,Ly – длина и ширина платы; Vд – объем деталей на плате.
2. Эффективная ширина зазора
, (152)
в – расстояние между платами.
Используя эти понятия, алгоритм приближенного теплового расчета можно представить следующим образом.
Исходные данные: геометрические данные корпуса L1,L2,H и нагретой зоны, Lx,Ly,Lz, суммарная мощность тепловых источников Ф, температура среды tc.
Методика расчета:
1. Средний поверхностный перегрев корпуса можно определить по формуле
; (153)
Sk - площадь поверхности корпуса.
2. Среднеобъемный перегрев воздуха внутри аппарата
Vв = Vк(1+С). (154)
3. Средний поверхностный перегрев поверхностей кассет
Vз = Vк(1+СА). (155)
В этих формулах коэффициенты С и А являются функцией площадей: поверхности корпуса (Sk) и нагретой зоны (Sз) и площади приведенной нагретой зоны (Sзп).
. (156)
Соответствующие значения площадей будут:
площадь поверхности нагретой зоны 1 отсека
Sз1=2LxLy(m-1); (157)
площадь поверхности нагретой зоны 2 отсека
Sз2=2[LxLz+md(Lx+Lz)]; (158)
Sзл=2[LxLz+Ly(Lx+Lz)]. (159)
Порядок расчета:
1. Вычислить dэф (эффективную толщину платы).
2. Вычислить вэф (эффективную толщину зазора).
3. Рассчитать Sк .
4. Найти Sзл по формуле (159) (площадь приведенной поверхности нагретой зоны).
5. По формулам (157) и (158) найти Sз1 и Sз2.
6. Рассчитать параметры А иС.
7. По формулам (153), (154), (155) найти температуры перегревов корпуса, воздуха в аппарате и кассет.
Точность этого расчета ±40 % (max). Для более точных расчетов пользуются коэффициентными методами, которые позволяют получить точность ~25 %.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите методы оценки тепловых режимов.
2. Какие способы охлаждения предназначены для аппаратов с деталями на шасси?
3. Какие способы охлаждения применяются для аппаратов кассетной конструкции?
4. Расскажите алгоритм расчёта теплового режима блока с крупными деталями на шасси.
5. От каких параметров зависит температура перегрева нагретой зоны в РЭС?
6. Как может быть организована принудительная вентиляция РЭС?
7. На какие три группы можно разделить аппараты кассетной конструкции?
Лекция №12. Выбор системы охлаждения для РЭС
и способы обеспечения тепловых режимов
Системы охлаждения РЭС
Продолжительной, устойчивой работы приборов удается добиться, лишь создав им необходимые температурные условия. Как правило, температурные условия работы теплонагруженных приборов обеспечиваются системами охлаждения. При этом отвод тепла от нагретых поверхностей элементов конструкции может производиться:
1. Контактным способом (за счет теплопроводности).
2. Естественным воздушным охлаждением.
3. Принудительным воздушным охлаждением.
4. Жидкостным охлаждением.
5. Испарением жидкости.
6. За счет использования эффекта Пелтье.
7. За счет излучения.
Отвод тепла за счет теплопроводности осуществляется в том случае, если горячее тело имеет хороший контакт с холодным и последнее обладает хорошей теплопроводностью, а также большой теплоемкостью, или способностью хорошо отдавать тепло в окружающую среду.
Охлаждение конвекцией происходит за счет отвода тепла холодными массами подвижного вещества, например воздуха, газа или жидкости.
В этом случае интенсивность охлаждения зависит от температуры охлаждающего вещества и скорости его движения, т.е. скорости теплообмена горячими между холодными слоями.
Нормальные условия характеризуются наличием воздушной среды 1013 ГектоПа при давлении и температуре 20 0С. Если в этих условиях температура поверхности наружных деталей корпуса РЭС ³20 °С, то он может отдавать тепловую энергию в окружающее пространство и притом тем интенсивнее, чем выше будет grad t. Это одно из оптимальных условий охлаждения за счет конвекции. Два следующих можно сформулировать так:
а) теплообмен будет тем выше, чем выше плотность окружающего вещества, и наоборот;
б) теплообмен с целью охлаждения возможен лишь в том случае, когда температура окружающей среды ниже температуры блока РЭС.
Охлаждение конвекцией может быть интенсифицировано за счет искусственного увеличения скорости обмена нагревающихся частей воздуха более холодными. Такую систему охлажденная называют системой принудительного воздушного охлаждения.
Очевидно, величина теплопроводности жидкости больше, чем у газов, поэтому при использовании жидкости охлаждение лучше. Системы, где применяют для охлаждения жидкости носят название жидкостных систем охлаждения. Среди них выделяют еще испарительные системы охлаждения. В том случае, когда в качестве испаряющегося используют твердое вещество, говорят об испарительных сублимационных системах охлаждения. Для охлаждения может быть использован эффект Пелтье, и тогда говорят о кондуктивном охлаждении. Этот способ целесообразен при охлаждении малых объемов или поверхностей. Он хорошо поддается регулированию, а поэтому его удобно применять, например, для микротермостатов.
В связи с микроминиатюризацией современной РЭС в пассивных системах обеспечения теплового режима применяют термоаккумуляторы - плавящиеся вещества. Они обладают относительно большой теплотой фазовых переходов и позволяют многократное использование при воздействии "пиковых" тепловых нагрузок. Отвод поглощенного ими тепла осуществляется в перерывах между включениями РЭС.
В комбинированных системах охлаждения применяются различные сочетания воздушного, жидкостного, испарительного и кондуктивного охлаждения.
12.2.Системы охлаждения РЭС
Их качество определяется такими факторами:
1) минимальное омическое и термическое сопротивление между охлаждаемой и охлаждающей жидкостями;
2) если охлаждающая часть конструкции не имеет условий для хорошего теплообмена с окружающей средой, то использовать ее для охлаждения нагретых частей РЭС нельзя;
3) термическое сопротивление контакта тем больше, чем меньше теплопроводность и теплоемкость.
Это случай плохого теплообмена.
12.2.1.Контактный способ охлаждения
Контактный способ охлаждения необходимо использовать в конструкциях РЭС для всех частей, от которых необходимо отводить тепло.
Для этого часто используют какую-нибудь базовую деталь, например шасси или корпус, к которой крепят отдельные детали. Однако успешно выполнить условия хорошего теплообмена удается лишь при небольших размерах и малых мощностях рассеивания (менее 20 Вт).
12.2.2.Естественное воздушное охлаждение
Его качество определяется такими факторами:
1) чтобы отвод тепла от элементов конструкции внутри аппарата был эффективным, должна быть обеспечена хорошая теплоотдача путем теплового контакта всех теплонагруженных элементов с корпусом;
2) эффективность такого типа охлаждения тем больше, чем больше градиент температуры и чем больше площадь поверхности корпуса аппарата;
3) по мере уменьшения плотности окружающей среды уменьшается тепло отвод от корпуса аппарата;
4) хуже всего охлаждается дно корпуса, значительно лучше - боковая стенка и верхняя крышка;
5) на характер конвективного охлаждения оказывают влияние форма аппарата и качество поверхности его стенок.
Дата: 2019-03-05, просмотров: 198.
