Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

7.1 Основные вопросы

-климатические факторы;

- нормальные климатические условия эксплуатации ЭВМ;

- механические факторы;

- радиационные факторы;

- защита конструкции ЭВМ от температурных воздействий.

Текст лекции

7.2.1 Факторы, влияющие на работоспособность ЭВМ – до 45 мин

Одним из факторов обеспечения надежной работы ЭВМ (системы) является защита конструкции от внешних воздействий.

Условия эксплуатации ЭВМ и систем характеризуются комплексом внешних воздействующих факторов, которые принято разделять на климатические, механические и радиационные.

К климатическим факторам относят – изменение температуры и влажности окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли, песка; присутствие химически активных веществ в атмосфере; наличие солнечного излучения; наличие грибковых образований, насекомых, грызунов; наличие взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы; наличие дождя, брызг, озона и т.п.

Работоспособность ЭВМ и систем определяется допустимым температурным диапазоном работы, внутри которого ЭВМ должна сохранить работоспособность как во включенном, так и в выключенном состоянии.

Как правило, конструкцию ЭВМ проектируют таким образом, чтобы в выключенном состоянии ЭВМ выдерживала и сохраняла свою работоспособность в большем диапазоне температур (называемых предельными), чем допустимый диапазон работы. Это делается для исключения выхода из строя ЭВМ при транспортировке и хранении. Предельные температуры характеризуют тепло- и холодопрочность конструкции ЭВМ.

Отклонение температуры от указанных диапазонов может привести к необратимым структурным изменениям компонентов: повышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ускоряет коррозию металлов, при пониженной температуре повышается хрупкость материалов, затвердевают резиновые детали и т.п.

Повышение температуры узлов и блоков ЭВМ связано с выделением тепла при работе микроэлектронных компонентов и/или с повышением температуры атмосферы, понижение температуры узлов и блоков ЭВМ обычно связано с понижением атмосферной температуры.

Нормальными климатическими условиями эксплуатации ЭВМ считаются: температура окружающего воздуха (293±5)⁰К, относительная влажность (60±15)%, атмосферное давление 84…107 кПа (630…800 мм рт. ст.), отсутствие активных веществ в атмосфере.

Тепловой удар – резкое (десятки ⁰С) и быстрое (минуты) изменение температуры окружающей среды. Наиболее сильно влияет на элементы конструкции, в которых есть механические напряжения, вызывая образование в них трещин.

Атмосферное давление зависит от высоты над уровнем моря и погодных условий. Если корпус машины герметизирован, атмосферное давление не оказывает влияние на работу ЭВМ.

Одним из наиболее значимых климатических факторов является влажность. Высокая влажность способствует коррозии металлических деталей, старению неметаллических, изменению электроизоляционных характеристик, развитию грибковых образований. Вода, содержащаяся в атмосфере, часто содержит активные вещества. Капли дождя и брызги также могут вызвать вибрацию.

К активным веществам в атмосфере относятся хлористые соли, пары кислот, щелочей и т.п. Их содержание в атмосфере больше в прибрежных и промышленных районах.

Находящиеся в атмосфере пыль и песок могут содержать активные вещества, вызывать вибрацию, способствовать утечке зарядов и вызывать пробой.

Грибковые образования в процессе своей жизнедеятельности выделяют различные кислоты и другие химически активные вещества, изменяющие характеристики многих материалов.

К механическим факторам относят – воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения, акустического шума и т.п.

Вибрации возникают при работе и при транспортировке ЭВМ. Они характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения. Наиболее опасны колебания, частота которых близка к собственной частоте колебаний узлов и конструкций ЭВМ (могут вызвать резонанс).

Способность ЭВМ противостоять влиянию вибраций в выключенном состоянии характеризуется вибропрочностью.

Виброустойчивость – это способность ЭВМ выполнять заданные функции во включенном состоянии.

Удар – резкое изменение ускорения. Это явление характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Так, по числу импульсов различают удары одиночные и многократные.

Линейное ускорение характеризуется величиной ускорения и длительностью, оно менее опасно для ЭВМ, чем вибрации и удары.

Акустический шум характеризуется давлением звука, мощностью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.

Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически все элементы конструкции ЭВМ в равной мере, тогда как ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции через их точки крепления.

Все рассмотренные механические факторы вызывают статические и динамические деформации элементов конструкции ЭВМ.

Радиационные факторы – космическая радиация, ядерная радиация, различные виды излучения и др.

Облучение может вызывать в материалах конструкции ЭВМ обратимые, полуобратимые и необратимые явления.

Обратимые явления возникают с началом облучения, сохраняются на протежении его действия, исчезают с его прекращением.

Полуобратимые – возникают с началом облучения, увеличиваются по мере его действия, постепенно исчезают после его прекращения.

Необратимые – возникают после определенной дозы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.

Наиболее значимое воздействие на ЭВМ оказывают рентгеновское и гамма-излучения. Наиболее устойчивы к облучению металлические детали, наименее – полупроводниковые микросхемы. В металлах под воздействием облучения снижается предел текучести, ударная вязкость, возрастает удельное сопротивление. В полимерах происходит разрушение межмолекулярных связей, образование зернистых структур и микротрещин.

Некоторые из этих факторов действуют независимо друг от друга, некоторые – совместно с другими факторами. Например, наличие в атмосфере движущихся потоков песка приводит к возникновению вибрации в конструкции.

7.2.2 Защита конструкций ЭВМ от температурных воздействий – до 45 мин

ИМС и ЭРЭ функционируют в строго ограниченных температурных диапазонах. Защита конструкций ЭВМ от температурных воздействий направлена на обеспечение нормального теплового режима работы ЭВМ, т.е режима, при котором при изменении в определенных пределах внешних температурных воздействий обеспечивается изменение параметров и характеристик конструкции и материалов в пределах, указанных в технических условиях.

Обеспечение нормального теплового режима работы ЭВМ приводит к усложнению ее конструкции, увеличению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, дополнительным затратам электричества.

При низких температурах задача обеспечения работоспособности стационарных ЭВМ и систем решается путем нагрева помещения, в котором они установлены, для бортовых ЭВМ нагревательные элементы могут быть встроены непосредственно в конструкцию. При этом надо учитывать, что при интенсивном нагреве холодного воздуха внутри прибора пары воды конденсируются на еще холодных поверхностях конструкции. При дальнейшем нагреве конструкции влага испаряется. Конденсация оказывается невозможной, если нагрев происходит медленно. При достижении внутри изделия нормальной температуры приступают к его эксплуатации. Далее из-за саморазогрева температура внутри ЭВМ будет повышаться и может возникнуть необходимость в охлаждении.

Чаще всего конструктору приходится решать именно задачу отвода теплоты.

При расчете теплового режима аппаратуры оценивают количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия. Теплоотвод (передача теплоты) от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

Процесс передачи теплоты кондукцией (теплопроводностью) объясняется обменом кинетической энергией между молекулами вещества и диффузией электро­нов. Оба эти явления наблюдаются в том случае, когда температура вещест­ва в различных точках различна или когда контактируют два объекта с раз­личной степенью нагрева. Доля теплоотвода кондукцией повышается с увеличением плотности компоновки. Количество теплоты Q_k (Вт), передаваемое в статическом режиме кондукцией может быть вычислено по следующей формуле:

Q_k = α_m ·S· Δt / l ,

где α_m – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·⁰С); S – площадь, через которую проходит тепловой поток, м²; l – длина пути передачи теплоты, м; Δt – разность температур между окружающей средой и конструкцией, ⁰С.

Отношение G= α_m · S/ l называется тепловой проводимостью, а обратная ей величина R= l/( α_m · S) – тепловым сопротивлением.

Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыделяющих элементов в конструкции применяют тепловые разъемы, теплоотводящие шины, печатные платы на металлической основе и т.п.

При теплоотводе конвекцией используют естественное и принудительное воздушное и водо-воздушное охлаждение.

Естественное воздушное охлаждение является самым простым, используется в бытовой аппаратуре с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0.05 Вт/см².

Метод естественного охлаждения требует повышенного внимания проектировщиков к компоновке конструкции изделия, т.к. необходимо обеспечить равномерное распределение выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большим тепловыделением располагают в верхней части и вблизи стенок корпуса, а критичные к перегреву компоненты – в нижней части. При компоновке аппаратуры необходимо избегать так называемых «ловушек тепла», т.е. областей, в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха.

При принудительном воздушном охлаждении автономными вентиляторами применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная системы вентиляции. В приточной схеме вентилятор засасывает охлаждающий воздух внутрь изделия, в вытяжной – выталкивает нагретый воздух из изделия, в приточно-вытяжной схеме вентиляторы стоят и на входе, и на выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора в приточной схеме происходит в более благоприятных условиях (при пониженной температуре и большей плотности воздуха), чем в вытяжной системе, однако нагнетаемый воздух может частично уходить через отверстия в корпусе аппаратуры. Приточно-вытяжная схема позволяет увеличить напор охлаждающего воздуха.

Водо-воздушная система охлаждения применяется для изделий с высокими плотностями компоновки элементов. Отвод теплоты от устройств осуществляется одновременно воздухом, поступающим от вентиляторов, и жидким хладогентом, подающимся по трубам к специальным охладителям.

Количество теплоты Q (Вт), удаляемое от нагретой поверхности конвекцией:

Q = α_К·· S· Δt,

где S – площадь поверхности, м²; Δt – перегрев, ⁰С; α_К – коэффициент теплообмена конвекцией, зависящий от многих факторов (температуры участвующей в конвективном теплообмене среды, коэффициента теплоотдачи, скорости движения охлаждающего газа или жидкости, конфигурации охлаждаемого тела и др.).

Теплоотвод излучением эффективен для внешних поверхностей корпусов аппаратуры. При высокой плотности компоновки аппаратуры эффект удаления теплоты излучением практически отсутствует, так как близко расположенные модули только нагревают друг друга.

Количество теплоты Q (Вт), отводимой от нагретого тела в единицу времени с помощью излучения, можно оценить по следующей формуле:

Q_и = α_и ·S· Δt ,

где α_и – коэффициент теплообмена излучением, Вт/(м²·⁰С); S – площадь излучающей поверхности, м²; Δt – перегрев излучающей поверхности относительно окружающей среды, ⁰С.

Детали конструкции, как правило, имеют достаточно сложную форму и неравномерный нагрев, что усложняет расчет теплового режима. При построении тепловой модели упрощают элементы конструкции и идеализируют протекающие в них тепловые процессы. Одним из способов упрощения является замена нагретой зоны элемента конструкции ее эквивалентом с простой геометрической формой (например, прямоугольным параллелепипедом), с одинаковой средне поверхностной температурой и равномерно распределенным источником тепловой энергии. Такая замена выполняется на основе принципа усреднения. Идеализация тепловых процессов заключается в том, что учитываются только основные способы переноса тепловой энергии, вносящие наибольший вклад в тепловой обмен. Упрощение элементов конст­рукции и идеализация тепловых процессов должны быть таковы, чтобы обеспечивалась адекватность модели