Book5 (563558), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Критериальной оценкой теплового режима конструкции является
температура наиболее теплонагруженного или наименее теплостойко-
го элемента. Температура i-го элемента, расположенного на j-й под-
ложке, может быть найдена как

232

t_ij =t _Пj + Pij/σ_{BH ij}

где P ij — тепловой поток элемента; Рj• — суммарный тепловой поток,

выделяемый элементами j-й микросборки; m — число элементов на
подложке j-и микросборки; n — число микросборок.

Значения внутренних тепловых проводимостей для бескорпусных интегральных микросхем и транзисторов берут из технических условий на элементы или определяют по тепловой схеме рис. 5.44, б. Исходя из способа установки кристалла на подложке (рис. 5.44, а) тепло от активной области кристалла стекает на подложку 3 через кристалл 1 (σ _кр), слой клея 2 (σ_КЛ) и выводы 4 (σ _выв).

Рис. 5.44. К определению внутренней тепловой проводимости активного бескорпусного элемента : а — вариант установки на подложке; б — тепловая схема

При известных геометрических размерах элементов и коэффициентах теплопроводности материалов определение проводимостей кондуктивной теплопередачи не вызывает затруднений.

5.6. Тепловое моделирование конструкций РЭС
с принудительным воздушным охлаждением

Принудительное воздушное охлаждение находит широкое примене-
ние в конструкциях РЭС. Это объясняется следующими причинами:
удельная тепловая нагрузка конструкций имеет тенденцию роста при
установившихся показателях теплоустойчивости элементной базы; на-
личие доступного и дешевого теплоносителя; относительная простота

233

конструкций нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с тем
системам принудительного воздушного охлаждения свойственны и су-
щественные недостатки, такие как наличие акустических шумов и виб-
рации, увеличение объема и массы конструкций РЭС, снижение надеж-
ности изделия и увеличение затрат энергии на охлаждение.

Используются три системы при-
нудительного воздушного охлаж-
дения: приточная, вытяжная и при-
точно-вытяжная.

Рис. 5.45. Схемы принудительного воз-
душного охлаждения:
а — приточная; б — вытяжная;
в — приточно-вытяжная

Приточная система (рис. 5.45, а)
характеризуется тем, что воздух
под давлением, создаваемым на-
гнетателем, поступает в конструк-
цию, отбирает тепло от элементов
и выбрасывается в окружающую
среду или поступает в вытяжной
воздуховод (коллектор).

В вытяжной системе (рис. 5.45, б)
вентилятор устанавливается на вы-
ходе воздуха и отсасывает воздух
из кожуха конструкции.

В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают на входе
и выходе воздуха (рис. 5.45, в).

Названные системы обладают определенными достоинствами и не-
достатками. Так, например, достоинством приточной системы является
повышенное давление воздуха на входе, что способствует повышению
эффективности теплообмена. В то же время поступающий в систему
воздух имеет повышенную температуру в результате подогрева частью
мощности, потребляемой электродвигателем вентилятора. В вытяжной
системе воздух' на входе имеет давление несколько ниже нормального
и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Кроме того, в данной
системе электродвигатель вентилятора находится в потоке горячего
воздуха. Приточная и вытяжная системы имеют общий недостаток: они
не препятствуют утечкам воздуха. Этого недостатка лишена приточно-
вытяжная система охлаждения, позволяющая в несколько раз снизить
утечки. Кажущаяся сложность приточно-вытяжной системы компенси-
руется лучшими экономическими показателями.

Подход к построению тепловой модели РЭС с принудительным воз-
душным охлаждением опирается на рассмотренные в разд. 5.2 общие
принципы. Однако сложность модели существенно зависит от структу-
ры нагретой зоны конструкции, принятых допущений и взаимодействия
потока охлаждающего воздуха с тепловыделяющими элементами.

234

Обратимся к конструкции блока РЭС с принудительным воздушным охлаждением, схематично изображенного на рис. 5.46, а. Поток охлаждающего воздуха протекает между поверхностью нагретой зоны 2 и кожухом 1 и осуществляет внешний обдув нагретой зоны. Температура воздуха на входе системы охлаждения t _вх, на выходе — t_вых. Поверхности нагретой зоны и кожуха считаются изотермическими и имеют среднеповерхностные температуры t₃ и t _K . Предполагается, что воздушный поток прозрачен для излучения.

Рис. 5.46. Тепловая модель блока РЭС с принудительным воздушным охлаждением:
а — упрощенное изображение конструкции; б — тепловая схема

Теплообмен в блоке происходит следующим образом. Тепловой поток Р, выделяемый элементами нагретой зоны, разделяется на две составляющие, одна из которых (Р1) конвекцией передается воздушному

потоку, вторая составляющая (Р2) — излучением на кожух блока. С
кожуха часть тепла Р ₃ рассеивается в окружающей среде (конвекция и
излучение), другая часть Р ₄ уносится воздушным потоком (конвективная теплопередача).

Тепловая схема процесса теплообмена блока приведена на рис. 5.46, б.
На схеме приняты следующие обозначения: σ_{3 к} — тепловая проводи-
мость между нагретой зоной и кожухом блока; σ_{к с} — тепловая прово-
димость кожух—окружающая среда; σ_зв, σ_кв— тепловые проводимости от нагретой зоны и кожуха к воздушному потоку.

По тепловой схеме составляются алгебраические уравнения, связывающие показатели теплового режима:

Р = Р₁₊Р₂; Р₂ = Р₃₊Р₄; (5.49)

P=σ_з.в(t_з-t_в)+σ_з.к(t_з-t_к);

(5.50)

σ_з.к(t_з-t_к)=σ_кc(t_k-t_c)+σ_з.в(t_к-t_в)

235

где t _B = 0,5 (t _BX+t _вых) — среднее значение температуры охлаждающего воздуха.

Третье уравнение, необходимое для получения решения, записывается в предположении, что все тепло, кроме рассеиваемого в окружающем пространстве, расходуется на повышение теплосодержания воз-
душного потока:

P=σ_к._с(t_к-t_с) +w(t_вых-t_вх). (5.51)

где w = GvρСp — условная тепловая проводимость воздушного потока (G v — объемный расход воздуха в системе охлаждения; ρ , С _р-плотность и удельная теплоемкость воздуха при температуре t _B).

Неизвестными в уравнениях (5.49)—(5.51) являются среднеповерх-
ностные температуры корпуса t _к и нагретой зоны t₃ , а также темпера-
тура воздуха на выходе системы охлаждения t _вых. Совместное решение
уравнений дает возможность выразить эти температуры, если бы от них
не зависели тепловые проводимости. Поэтому задача может быть реше-
на методом последовательных приближений или тепловой характери-
стики. Конвективные коэффициенты теплопередачи от нагретой зоны
и внутренней поверхности кожуха находят, используя модели продоль-
ного или поперечного обтекания тел воздушным потоком, конвектив-
ный коэффициент теплопередачи от кожуха в окружающее простран-
ртво — для случая естественной конвекции в неограниченном про-
странстве.

Наличие в нагретой зоне блока каналов для протекания воздуха из-
меняет подход к построению тепловой модели и усложняет саму мо-
дель. Чтобы убедиться в сказанном, обратимся к блоку кассетной кон-
струкции с принудительным воздушным охлаждением. Схематическое
изображение конструкции приведено на рис. 5.47, а. Охлаждающий
воздух поступает через воздухораспределитель 3 в межплатные зазоры,
поглощает рассеиваемое платами 2 тепло и выходит за пределы кожуха блока 1.

Особенностью процесса теплообмена в блоках этого типа является
неравномерность температурного поля как в направлении движения
воздуха, так и в поперечном сечении блока. Тем не менее предполага-
ется, что каждая плата представляет собой нагретую зону с изотерми-
ческой поверхностью. Воздух, проходящий через блок, прозрачен для
теплового излучения, коэффициенты конвективного теплообмена по-
верхностей нагретой зоны и кожуха внутри блока одинаковы.

Оценка стационарного теплового режима блока кассетной конст-
рукции с принудительным воздушным охлаждением является тепло-

236

Рис. 5.47. Тепловая модель блока кассетной конструкции с принудительным

воздушным охлаждением: а — упрощенное изображение конструкции;

б — фрагмент тепловой схемы

физической задачей расчета конвективного теплообмена в плоском ка-
нале, образованном поверхностью платы и поверхностью нагретой зоны
со стороны тепловыделяющих элементов. При этом ширина канала
δ _к =b - h з , где b — шаг установки функциональных ячеек в блоке,h ₃ — высота нагретой зоны.

Исследование принудительного конвективного теплообмена в кана-
лах, образованных платами с установленными на них радиоэлементами
(каналы с незначительной шероховатостью), привело к следующим
критериальным зависимостям [20]:

Nu = 0,35Red₃/l_n при Red_s/l_n< 11,3;
Nu = l,5(Red₃/l_n)^0.33 при Re<2200; (5.52)

Nu = 0,029Rе^0.8(d_э/l_п)^0.054 при Re>2200,

где d_Э = 2(b — h₃) = 2δ_К — эквивалентный гидравлический диаметр;l _п — длина платы в направлении движения охлаждающего воздуха.

Теплофизические параметры воздуха в критериальных уравнениях оп-
ределяются при температуре t _BX.

Фрагмент тепловой схемы блока для трех функциональных ячеек
приведен на рис. 5.47, б. Каждая из трех ячеек отдает тепло воздушно-
му потоку (тепловая проводимость σ _{з в} ), кожуху (σ_зк ), часть тепла с кожуха уносится воздушным потоком (σ _кв), оставшаяся часть рассеи-

237

вается в окружающем пространстве (σ _{к с}). Кроме того, осуществляется

взаимный теплообмен между функциональными ячейками через тепло-
вые проводимости σ _б.

Тепловая проводимость σ_зв=α_звS₃ . Конвективный коэффициент теплопередачи α_3в находят с помощью критериальных уравнений
(5.52). Проводимость σ_3к характеризует теплопередачу излучением с
торцевых поверхностей нагретых зон на кожух: σ_3к=α_злSзл , где α_3л — коэффициент теплопередачи излучением, S_3л — площадь торцевой поверхности нагретой зоны. Тепловая проводимость конвективной теплопередачи кожуха воздушному потоку σ_KB=α_KBS_k, где
α _{к в} ≈ α_{3 в}. Проводимость σ _кс характеризует теплопередачу наружной

поверхности кожуха окружающей среде конвекцией и излучением.
Тепловую проводимость взаимного теплообмена а _б находят в резуль-
тате представления пакета функциональных ячеек однородным анизот-
ропным телом.

5.7. Тепловое моделирование конструкций РЭС
с принудительным жидкостным охлаждением

Принудительное жидкостное охлаждение применяется в теплонаг-
руженных конструкциях. Тепло отбирается в результате прокачки че-
рез аппаратуру охлаждающей жидкости. Наибольшее распространение
этот способ получил при охлаждении больших элементов, представля-
ющих собой локализованные источники тепла. Охлаждающая жид-
кость прокачивается насосом через специальные каналы, выполненные
в платах или кожухе аппаратуры.

Одной из важных задач проектирования системы принудительного
жидкостного охлаждения является выбор теплоносителя, который дол-
жен отвечать следующим требованиям:

при выбранном режиме движения не должно происходить закипания теплоносителя на охлаждаемых поверхностях;

теплоноситель в системе охлаждения должен быть пожаробезопасным;

если охлаждаемые поверхности, контактирующие с теплоносителем, находятся под электрическим потенциалом, то теплоноситель
должен обладать высокими электроизоляционными свойствами;

физические свойства теплоносителя не должны изменяться в диа-
хшоне ргбочта. темщшуо охлаждаемого объекта.

238

Характеристики

Список файлов учебной работы