Л1-Савельев, Овчинников - Конструирование ЭВМ и систем - 1984 год, страница 24

Й„,п,,'(папу), (6.57) Рнс. 6.11. Схематичное изображение субблока с теплопронодящнмн шннамн (а) н схемы сосднпсннй тепловых сопротннлсннй сго элементов (б, в): I — аороус ИС; У вЂ” гааор между ИС и шимон; г — теллоароаолащаа шина, 4 — плата суббло- н Йа г (Йш> .1 Й) (Йим 1 Й) (Йшг + Й„» ->- 2Й). (6.58) 11$ где пл (ил.'(„; пу Ьи,уЬ„; и, .- Ли о Ьи - — число элементарных ячеек в пакете субблоков в направлении осей х, ьп х.

При исследовании тепловых режимов некоторых конструкций возникает задача определения теплового сопротивления от интегральной схемы к корпусу блока (панели). Схематичное изображе- и) г з ние субблока с теплопроводящимн шинами, который вставляется по направляющим в Ьл блок, дано на рис.

6.! 1, а. Определим тепловое сопротивление при передаче тепловой энергии от корпуса ИС к бло. ППППП ку по твердым частям конст- П П П П П рукции субблока (конвекцик> и излучение учитывать ие бу- ППППП дем). Выделим элементы кон. струкции, тепловые сопротив- а ППП пения которых участвуют в передаче энергии, и составим тепловую схему. Зазор между и корпусом ИС и теплопроводя- Яз анс щей шиной заполнен тепло- ялг ягг ял> >тш проводящим материалом (тепловое сопротивление Йа).

Да- 6) лее тепловая энергия передается по теплопроводящей яшб шине (тепловые сопротивления Й, и Й,„у). Кондукцией по печатной плате будем пренебрегать. От теплопроводящей шины тепловая энергия передается через тепловые сопротивления Й „, контакта шина — каркас субблока, Йеу стенки каркаса субблока и Йо» контакта каркас субблока — корпус блока, Схема соединения тепловых сопротивлений изображена на рис.

6.11, б. Обозначим Й Йан Р Йе,; Йи,„тогда теплонан схема будет иметь вид, представленный на рис. 6.!1, а. Результирующее тепловое сопротивление Тепловые сопротивления Гхг„)гшт, )г а и цг„определяются по (6.8), а 11 „1 и )а'„а — по (6.11): Я. = Ь,((Ла5н); Я, = 1,7(Л 5 ); Я, =- 1,((Л.5 ); где Л„Л и ˄— коэффициенты теплопроводности материала, запол- няющего зазор, теплопроводящей шины и каркаса субблока; 5а— площадь зазора между корпусом ИС и шиной; 5 — площадь попе- речного сечения теплопроводящей шины; 5„— площадь сечения каркаса субблока в направлении, ортогональном к тепловому потоку; 5иы 5н, — половина площади контактов .шина — каркас субблока, каркас субблока — корпус блока.

Пример Н.1. Рассчитать тепловое сопротивление от корпуса ИС 2 на рис. 6.11, а к корпусу блока для следующих исходных данных: площадь основания корпуса ИС 3н == 18,5.6,2 10-а м; толщина зазора между корпусом ИС н ши- ной И, = 0,4"!0 — а м; коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор, Ла = 1,0 Втг'(м К); ширина н толщина теплопроводящей шины соотвстст. ванно Ьш = 0,02 и; Ь = 0,5 10 — а м. Расстояния от ИС 2 до каркаса субблока 1, = — 0,1 м н 1» = 0,05 и; материал шины — медь, коэффициент теплопроводности (табл. 6.!) Лш -- 400 Вт/(м. К); нз табл. 6.2 удельная тепловая проводимость контакта шина †карк суббло- ка (медь — сталь) атг = акг — — 1,2 !О' Вт/(ма К); толщина, высота и длина стен- ки каркаса субблока соответственно ".„=- 1,5 10 — а м; Ь„= 6 ! Π— а м;!к = 0,2 м; материал каркаса субблока — сталь, коэффициент теплопроводности (см.

табл. 6.1) Лст = 45,5 Вт/(м К); из табл. 6.2 удельная тепловая проводимость контакта каркас субблока — корпус блока (сталь — сталь) г»та=..сг«»=1,5 10» Вт!(ма К). Р е ш е н н е. !. По (6.8) тепловое сопротивление зазора )1а=йа!(Ла5н) =0 4.10 а'(1 !8,5.6,2. 10 — а) =.3,5 К1Вт. 2. Найдем площадь поперечного сечения теплопроводящей шины и по (6,8)' определяем тепловые сопротивления: Бш=бсг Ьш=О 02'0 5 ° 1О г=- !О ам»; )7ш»=1»Г(Лш 3ш)=0 1!(400 !Π— а)=25 К/Вт; )вша= 1а!(Лш Зш) ='0 05~|(400 10 — а) = 12,5 КгВт. 3. Рассчитаем половину площади контакта теплопроводящей шины с кар- касом субблока н по (6.11) определим тепловое сопротивление контакта шина— каркас субблока (1н» 3н»=Ьшйк=О 02 6 10 — '=-12 10 — 'м', )!на= 11(мк» Бнй =. 11(1,2 10'12.

10-а) =-0,7 КгВт, 4. Находим по (6.8) тепловое сопротивление стенки каркаса субблока: Лат=-Ьк((Лст Иа (к) =1 5 10 аЕ(455 6.10-а.0,2)=0,0275 К)Вт. 5. Считая половину площади контакта каркаса субблока с корпусом блока равной бна = Ь„1н, подсчитываем по (6.11) тепловое сопротивление контакта: Е!аа.— — 17(ан»Бна) — 1г'(1 5 !Оа 6 О 1О а 0,2)=-0,555 К!Вт.

6. Находим )1 = )1нг + )7ст + 1,'„а = 0,7 + 0,0275 + 0,555 = 1,28 К/Вт. 7. По (6.58) определяем тепловое сопротивление ИС вЂ” корпус блока: )7в = 12,6 К)Вт. Ошееш. Тепловое сопротивление от корпуса ИС 2 к корпусу блока )7н —— = 12,6 К/Вт. 116 6 6.5. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ МОДЕЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ ЭВМ Понятие тепловой модели было введено Г, Н. Дульневызг.

Им же сформулировано основное требование, предъявляемое к тепловой модели: тепловая модель должна быть адекватна изучаемому явлению и реализуема математически. Конструкция ЭВМ является системой многих тел с неравномерно распределенными источниками и стоками тепловой энергии. Ее температурное поле может иметь достаточно сложный характер, завися- а) 3) Я7Д Рис. 6.!2. Конструкция одноблочной ЭВМ в герметичном исполнении (а) и ее тепловая схема (б) Рнс.

6,13. Модели одноблочной ЭВМ 117 щий от распределения источников и стоков тепловой энергии, геометрии элементов конструкции и их теплофизических свойств. При построении тепловой модели упрощают элементы конструкции и идеализируют протекающие в них тепловые процессы. Один из способов упрощения — замена сложной по форме нагретой зоны элемента конструкции (например, субблока с разногабаритными комплектующими элементами, выделяющими неодинаковую тепловую энергию) прямоугольным параллелепипедом — эквивалентной нагретой зоной с одинаковой среднеповерхностной температурой и равномерно распределенным источником тепловой энергии.

Такая замена выполняется на основании принципа усреднения. Эффективная толщина нагретой зоны (см. рис. 6.5) баФ 8 + (' дат((( уйг) (6.59) В ряде случаев форму эквивалентной нагретой зоны определяют на основании рассмотренного в 3 6.3 принципа местного влияния. Идеализация тепловых процессов заключается главным образом в том, что учитываются только основные, вносящие наибольший вклад в теплообмен способы переноса тепловой энергии. Упрощение элементов конструкции и идеализация тепловых процессов должны быть таковы, чтобы обеспечивалась адекватность модели.

Точность исследования температурного режима определяется в основном степенью детализации конструкции. Например, при исспедовании одноблочной ЭВМ (рис. 6.12, а) в качестве нагретой зоны можно принять весь пакет субблоков. Тепловая модель в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 6.13, а. В результате исследования этой модели можно определить среднеповерхностную температуру нагретой зоны. Если эта температура значительно отличается от температуры субблока, расположенного в центре пакета, т. е. будет признано, что результаты исследования не обеспечивают требуемой точности, то в качестве нагретой зоны может рассматриваться сам субблок.

Тепловая модель примет вид, изображенный на рис. 6.13, б. Тепловые процессы при таком подходе описываются системой неоднородных нелинейных алгебраичебких уравнений, которые составляются на основании закона сохранения энергии с использованием выражения (6.1), Число уравнений определяется количеством нагретых зон. Для модели, изображенной на рис. 6.13, а, уравнений теплового баланса будет три; для пакета субблоков, воздуха внутри корпуса и корпуса. Составим тепловую схему и уравнения теплового баланса для этой модели в предположении, что существенными будут все три вида переноса тепловой энергии.

Тепловая энергия Ф, выделяемая пакетом субблоков, передается конвекцией воздуху, находящемуся внутри корпуса, кондукцией по элементам крепления и монтажа и излучением к корпусу ЭВМ (тепловые сопротивления соответственно 1са „, 10а. в., и бса.а.а). От воздуха тепловая энергия конвекцией передается к корпусу бс'„.„, и корпусом рассеивается в окружающую среду за счет всех трех механизмов передачи тепловой энергии.

Схема соединения тепловых сопротивлений показана на рис. 6.12,б. Уравнения теплового баланса для всех узловых точек: Ф=о, „(Оа--О,)л-(оа „.,+оа в,) (Оа — О„); о,,,(0,- — 0„) — -ов а(0,— Ов); Ф = ов, (О, - - Ос). ~ Более точная тепловая модель получается, если конструкция идеализируется в виде однородного анизотропноготела, свойства которого характеризуются эффективными значениями коэффициентов теплопроводности и теплоемкости. Такая модель для одноблочной конструкиии ЭВМ показана на рис. 6.13, в.

Тепловые процессы, протекаю1цие в ней, описываются дифференциальным уравнением в частных производных вида Лм д' 0 дха - л „да О дУ' -,'- Л, д' Одга =- Е (Фт, С), где Лм, Ла, Л, — эффективные коэффициенты теплопроводности по осям д, у, а; Ф~; — удельная мощность внутренних источников теплоты; С вЂ” эффективный коэффпииент теплоемкости. Это дифференциальное уравнение должно решаться с учетом нелинейных условий на границе нагретого тела, что является весьма сложной задачей.