Л1-Савельев, Овчинников - Конструирование ЭВМ и систем - 1984 год, страница 21

Резисторы различных типов имеют как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При высоких значениях температур в полупроводниковых структурах происходят химические реакции, способные привести к их разрушению. Например, в интегральных схемах на МДП-структурах при 0 = 673 —:7?3 К алюминий поглощается двуокисью кремния, что разрушает внутренние соединения. Даже в диапазонах рабочих температур токи утечки через малые дефекты в окисле кремния могут вызывать локальный нагрев, в результате которого температура поднимется до таких значений, при которых реакция поглощения усилится и разрушит пленку окисла.

Температурный или тепловой режим, т. е, пространственно-временное изменение температуры, влияет на помехоустойчивость и интенсивность отказов элементов (помехоустойчивость уменьшается с увеличением температурного градиента между кристаллами, а интенсивность отказов увеличивается при возрастании абсолютной температуры). В данной главе будет рассматриваться только стационарный тепловой режим. т. е, такой, при котором температура во всех элементах конструкции не изменяется во времени. Для обеспечения необходимых уровней надежности и помехозащищеииости разработчиками устанавливается максимально допустимая рабочая температура компонентов ЭВМ. Выделяемая элементами ЭВМ тепловая энергия может передаваться другим элементам конструкции и отводиться в окружающую среду.

Элементы, выделяющие тепловую энергию, называются источниками, поглощающие ее — стоками, а сам процесс — теллообменом. Тепло- обмен может осуществляться кондукцией (теплопроводностью), естественной и принудительной коивекцией и излучением. 101 Тепловой режим конструкции ЭВМ зависит от температуры окружающей среды, мощности источников и стоков тепловой энсргии и принудительной системы охлаждения, а также условий теплообмена, к которым относятся геометрические параметры и теплофизические свойства элементов конструкции. Конструкция ЭВМ должна обеспечивать нормальный тепловой режим элементов. Тепловой режим называется нормальным, если температуры элементов конструкции равны или ниже допустимых значений по техническому заданию.

Обеспечение необходимых температурных условий достигается при проектировании выбором системы охлаждения как для ЭВМ или системы целом, так и для отдельных элементов конструкции. й вД. спОСОВЫ ПЕРЕНОСД тепловой энеРГии В общем случае перенос тепловой энергии Ф, от изотермической поверхности, имеющей температуру О», к изотермической поверхности с температурой 0» описывается выражением О, — О» == Р»,» Ф» или О» — О» = Р»» Ф», где О» — О», 0» — О; — температурный напор; Г; » — коэффициент пропорциональности или тепловой коэффициент (г"; » = р»,,), причем структура коэффициента е"»» зависит от существующих в каждом конкретном случае способов переноса тепловой энергии, Рассмотрим основные механизмы переноса тепловой энергии: кондукцию, конвекцию и излучение.

Кондуктивный перенос тепловой энергии. Кондукция или теплопроводность — это передача теплоты посредством взаимодействия между молекулами тела или соприкасающихся тел. Если соприкасающиеся тела яли участки тела имеют разную температуру, то за счет теплопроводности возникает поток теплоты, направленный в сторону уменьшения температуры. Теплообмен кондукцией осуществляется также в среде и между твердым телом и средой, если в среде нет движения или у поверхности тела существует неподвижйая пленка жидкости ('пленочный режим движения среды).

Рассмотрим кондуктивный перенос теплоты на примере твердого тела. На рнс. 6.1 показано сечение твердого тела и следы двух изотермических поверхностей»' и /', плошади поверхности которых 5» и $». Пусть О» Оь 1 — нормаль к изотермическим поверхностям, являющаяся их координатой. Теплообмен кондукцией происходит по закону Фурье, согласно которому для некоторой изотермической поверхности 1 Фт = — ЫОЖ, (6.2) где Ф;: — количество тепловой энергии, проходящей через единицу площади изотермической поверхности, т.

е. плотность теплово~о потока Вт и'-'; ). — коэффициент теплопроводности материала, Вт'(м К). Так как по определению Ф»»' = Ф (1)'5 (1), зависимость (6.2) будет — с(0 — »(1. (6.3) Х5 (1! евз Проинтегрировав левую часть (6.3) от О; до 0», а правую — от 1; до 1ь получим О,— 0»=(1/)) ~/[Ф(1)/В(/))д1. (6.4) », На основании (6.1) и (6.4) тепловой коэффициент »» г»» — — (ХФ»)-' ) [Ф(1)/Я(1)[с(1.

», (6.5) о» в в, в, в Рис. 6.!. Перенос теплоты кондукдней в твердом теле Рис. 6.2. Стенки плоской (в), ннлнк. дрвческой (б) и шаровой (в) конфи. гурвннй Если между изотермическими поверхностями»' и/ отсутствуют стоки и источники тепловой энергии [Ф (1) =- Ф» =- Ф» — сопз!), то Рыназывается тепловым сопротивлением /1»», а формула (6.5) примет вид Яп»=(1/Х) ~ [1,3(1)) й. (6.6) 'г Величина, обратная тепловому сопротивлению, называется те»ь»олой»»раводил»оса»ью: и»,» = 1~ И о».

(6.7) Элементы конструкции ЭВМ могут иметь различную форму. Выражения для теплового сопротивления однородных тел плоской, цилиндрической и шаровой конфигурации (рис. 6.2) соответственно имеют вид: )ч пп ' (12 1») (и пл) (6.8) »е Яц = — 1п — '; (6.9) Х2лд Рш —.-- [! '(» 4л)[ (! 1, — ! 1е), (6.!О! где 5 л — плошадь изотермической поверхности плоской стенки; 1.— высота цилиндрической стенки. Коэффициент теплопроводности ). для различных материалов указан в таб,л.

6.1. чвэ Таблица 6.1 Ковффпциент теплопровод. ности ц Вт)(а К) Коэффициент теплопроводности ), втд'К) Матерна т Материал 0,231 — 0,385 (6.12) 0,635 Нередко элементы конструкции ЭВМ представляют собой соприкасающиеся друг с другом тела, выполненные из разных материалов. В месте контакта тел возникает тепловое сопротивление, которое зависит от степени непараллельности н микронеровностей сопрягаемый поверхностей. Если непараллельностью поверхностей можно пренебречь, то удельное тепловое сопротивление контакта определяется физико-механическими свойствами материалов, чистотой обработки поверхностей и удельным давлением сжатия. Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи кондукцией а, в контакте некоторых пар материалов при удельной нагрузке 1000 Н!смз и шероховатости поверхности Кз 20 даны в табл. 6.2.

Таблица 62 Ковффициент теплопередачи и Вт/(иск) Коаффициент теп юпереда чи йт )Е- . вт)(ииК) й(,у =- 1,)(й, 7 я,.).. О; 7 =- )т( рь,. (6.16) (6.!7) Материал Материал 84,10а Сталь — дюралюминий Сталь — сталь Металл — краска— металл Металл †стек 12 10 5,5 4,0 1,5. 10а 500,0 (0,6— 2,3) 10' 1,7 10а 1,2 Сталь — сталь (резво бонов соединение) При известном значении коэффициента теплопередачи ат (удельнои тепловой проводимости) тепловое сопротивление контакта 'ч н 1~(ат~) (6.П) Конвективный теплообмен.

Перенос теплоты конвекцией связан с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твер- (05 Серебро Алюминий АЛ-? Дюралюминий Д-16 Бронза Латунь Медь Сталь Ретннн Эбонит, гетинакс Слюда Полнхлорннннлонан пластмасса Медь — алюминий Медь — медь Медь — латунь Медь — дюралюминий Дюралюминий — дюралюминий Медь — сталь 390 †4 196 !60 †1 64 85,8 400 45,5 0,15 0,156 — 0,175 0,583 0,443 Текстолит, стенлотенсталнт Стенло Фарфор Керамика 22ХС Снталл Полнкор Картон плотный Пенопласт Воздух (прн 0= =3!3 К) Вода (прн 0=313 К) 0,74 0,854 7,0 1,5 30,0 0,230 0,58 2,76.10 а дым телом (элементом конструкции). Тепловая энергия передается как между твердым телом и средой, так и в самой среде. Конвекция заключается в совместном действии явлений теплопроводности среды, запасания энергии в ней и ее перемешивания.

Конвекция называется естественной, если она осуществляется при свободном движении среды за счет разности плотности холодной и горячей областей, и п)тинуднтельной, если движение среды происходит под действием внешних сил. Теплообмен конвекцией описывается законом Ньютона-Рихмана, согласно которому тепловой поток от поверхности твердого тела к среде или наоборот (Вт) Гй), = а(ц (О; — О,) о), где а;е — коэффициент теплообмена конвекцией между поверхностью тела и средой, Вт/(мн.К); О, и О, — температуры поверхности тела и среды; Я) — площадь поверхности теплообмена тела,м'. Из (6.1) и (6.12) получаем Р), = 1!(а) .з().