Некоторые аспекты теплофизического конструирования РЭС Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Иофин А.А.

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭС

Рассмотрены принципы построения тепловых моделей, тепловая модель моноблочного РЭС и алгоритм расчёта тепловых режимов по выбранной модели с учётом характерных конструктивных, теплофизических и эксплуатационных параметров. Приведены примеры стационарных тепловых характеристик реальных РЭС и возможности их применения в практике конструирования на начальных этапах разработки РЭС. Даны рекомендации по выбору параметров оребрения теплоотдающих поверхностей.

Одной из важнейших задач при разработке РЭС является обеспечение его нормального теплового режима.

Тепловой режим РЭС называется нормальным, если температура каждого из элементов РЭС находится с необходимым запасом в диапазоне значений температур, допустимых по техническим условиям (ТУ) на эти элементы.

Методика расчёта тепловых режимов основана на моделировании конструкции РЭС, составлении физической тепловой модели и математического описания основных теплофизических процессов, происходящих в этой модели. Уравнения, описывающие эти процессы, отражают теплообмен между изделиями электронной техники (ИЭТ), электрорадиоизделиями (ЭРИ), функциональными и конструктивными узлами РЭС, а также теплоотдачу от РЭС в окружающую среду. Аналитическая модель тепловых процессов в РЭС представляется в виде системы уравнений теплового баланса.

Физической тепловой моделью РЭС называется модель, геометрически соответствующая РЭС и оперирующая физическими процессами той же природы, что и исследуемая РЭС.

Тепловая модель должна быть подобна реальному РЭС. Сформулируем три основных условия подобия РЭС и его физической тепловой модели.

Модель и РЭС должны быть геометрически подобны.

2. Процессы тепломассообмена в модели и РЭС, их граничные, начальные, физические и геометрические условия должны быть одинаковы.

3. Определяющие критерии подобия, составленные из физических и геометрических величин, характеризующих процессы тепломассообмена в РЭС и его тепловой модели, должны быть численно равны между собой.

На основании этих условий можно построить физическую тепловую модель, а затем рассчитать и проанализировать тепловой режим РЭС по его модели. При этом физическую модель представляют в виде формализованного (идеализированного) изображения конструкции РЭС, отображающего особенности протекания в ней тепловых процессов и отвечающего трём указанным выше условиям.

Нагретая зона - условно изотермическая по поверхности или объёму совокупность ИЭТ, ЭРИ и ряда конструктивных узлов РЭС (шасси, печатные платы и т.п.), ограниченная условными поверхностями таким образом, чтобы получился замкнутый объём. То есть, нагретая зона - условно однородное изотермическое тело с определённой среднеповерхностной или среднеобъёмной температурой.

Допустимая температура нагретой зоны - предельно допустимая температура наименее теплостойкого элемента.

Допустимый перегрев нагретой зоны - разность между допустимой температурой нагретой зоны и температурой окружающей среды.

Среднеобъёмный перегрев нагретой зоны - вспомогательная величина, физически выражающая перегрев габаритной поверхности нагретой зоны.

Естественное охлаждение - охлаждение без затраты дополнительной энергии на перемещение теплоносителя.

Для оценки теплового режима РЭС на начальном этапе проектирования с целью определения возможности обеспечения требуемых конструктивных и схемотехнических показателей РЭС и принятия решения

о направлении и целесообразности дальнейших работ используется тепловая модель РЭС, приведенная на рис.1 [1] .

Рисунок 1Тепловая модель РЭС

1 - нагретая зона; 2 - корпус; Ь, В, Н - длина, ширина, высота корпуса;

Р - мощность тепловыделения в нагретой зоне; Т = Т - температура окружающей среды.

Составим уравнения теплового баланса рассматриваемой модели РЭС для стационарного режима работы. При этом введём следующие допущения: источники тепловыделения распределены по нагретой зоне

равномерно; поверхности нагретой зоны и стенок корпуса РЭС изотермические; корпус РЭС неперфори-рованный; температура и давление окружающей среды не изменяются во времени; охлаждение РЭС естественное.

Выразим математически процессы теплообмена, происходящие в РЭС .

Уравнение теплового баланса нагретой зоны [1]:

с1т1 — = Р - <2Х , (1)

где с1 и ^ - удельная теплоемкость и масса нагретой зоны, соответственно;

Т! - температура нагретой зоны; т - время работы РЭС;

^ - тепловой поток от нагретой зоны к корпусу РЭС.

Теплота от нагретой зоны к корпусу РЭС [2] передается излучением, Ол, и конвекцией, Qк:

“(^1 +а«1р1 Т~т), (2) 100 ) 1100 ) к у 1 ’

бі = Ол + Ок = Є1с0 Р\

где ^ - степень черноты нагретой зоны; с0- постоянная Стефана-Больцмана;

Т 2 - температура стенок корпуса;

а к1 - коэффициент конвективной теплоотдачи от нагретой зоны к корпусу.

Уравнение теплового баланса корпуса РЭС [1]:

СЬ2

сгтг — = О - О2 (3) ат

где с 2 и т 2 - удельная теплоёмкость и масса корпуса РЭС, соответственно;

0 2 - тепловой поток от корпуса РЭС в окружающую среду.

Теплота от корпуса РЭС в окружающую среду также передаётся излучением и конвекцией [2]:

°2 = ^2с0^2

Ь_)4-(І]

100 ) 1 100 )

\4

+ ак 2^2 (Ь2 Тс ) , (4)

Е

2

2 - степень черноты внешней поверхности корпуса; поверхность корпуса;

ак2 - коэффициент конвективной теплоотдачи от корпуса в окружающую среду.

Объединяя (1) и (3), получим систему уравнений, описывающую тепловой баланс рассматриваемой модели РЭС [1]:

с1т1 Т1 = Р - О1

Ст

СЬ п п с2т2—2 = О1 - О2 Ст

(5)

Решение системы уравнений (5) с использованием коэффициентов конвективной теплоотдачи для соответствующих геометрических и теплофизических параметров РЭС, а также условий их эксплуатации дает возможность построения стационарных тепловых характеристик РЭС при естественном охлаждении, 0 = f (и) , где и = (Тг - Тс ) - перегрев нагретой зоны РЭС [1] . Вследствие того, что мощность

тепловыделения РЭС полностью рассеивается в окружающую среду, Р = 0.

В качестве примера на рис.2 приведены стационарные тепловые характеристики РЭС, выполненного в корпусе 2К, где ид - перегрев нагретой зоны РЭС, выполненного в перфорированном корпусе при давлении окружающей среды Рно = 101325 Па (760 мм рт. ст.); инп - перегрев в неперфорированном корпусе

при Рн

101325 Па (760 мм рт. ст.); ип

при Рн

0, а на рис.3

стационарные тепловые харак-

теристики РЭС, выполненного в корпусах кубической формы объёмом от 1 до 10 дм

(ЬхБхН = 0,319x0,124x0,194 м)

------------ ип при Рно = 101325 Па (760 мм рт.ст.)

- - - - - - - инп при Рно = 101325 Па (760 мм рт.ст.)

------------ ^ = инп при Рн = 0

Е - поверхность нагретой зоны

где £

и

Рисунок 2 Стационарные тепловые характеристики РЭС, выполненного в корпусе 2К

Тепловой режим РЭС нормальный, если величина перегрева, определенного по графику на рис.2, меньше величины допустимого перегрева нагретой зоны для данного РЭС, т.е. и < идоп . Если и > идоп , то для обеспечения нормального теплового режима РЭС рекомендуется применить принудительное охлаждение. Если величина перегрева, определённого по графику на рис.3, и > идоп, то для обеспечения нормального теплового режима РЭС рекомендуется либо увеличить объём корпуса РЭС, либо применить принудительное охлаждение.

Из анализа стационарных тепловых характеристик можно найти следующие характерные величины, необходимые для правильного выбора конструкции РЭС.

Определение перегрева нагретой зоны РЭС по заданной мощности

Откладываем заданную величину мощности 0 на оси 0 и из полученной точки проводим прямую, параллельную оси и, до пересечения с линией, соответствующей температуре окружающей среды (рис.2), или с линией, соответствующей заданному объему V (рис.3), для рассматриваемого РЭС при исходных данных: давлении окружающей среды PH и размерах корпуса.

Стационарные тепловые характеристики РЭС,

выполненного в перфорированном корпусе кубической формы

О 10 20 30 40 50 60 d.brn

Pho = 101325 Па (7 60 мм рт.ст.) Рисунок 3

Из точки пересечения проводим прямую, параллельную оси 0 , до пересечения с осью и и определяем численную величину и.

Определение максимально возможной мощности, рассеиваемой РЭС,

по допустимому перегреву нагретой зоны

Откладываем заданную величину допустимого перегрева идоп на оси и и из полученной точки проводим прямую, параллельную оси 0 , до пересечения с линией, соответствующей температуре окружающей

среды t с = t 0 (рис.2), или с линией, соответствующей заданному объему V (рис.3), для рассматриваемого РЭС при исходных данных: давлении окружающей среды PH и размерах корпуса.

Из точки пересечения проводим прямую, параллельную оси и, до пересечения с осью 0 и определяем величину максимально возможной мощности 0, рассеиваемой РЭС.

Определение зависимости 0 = £ (и) при 0 < Р н < 101325 Па (760 мм рт.ст.)

Графики построены для двух значений: PH = 0 и Рно = 101325 Па (7 60 мм рт. ст.) . Для промежуточных значений P'н зависимости 0 = f (и) находятся путём аппроксимации. Пример аппроксимации приведён на рис.4.

6-

а 1

d.

1- р„=0; 2 - Рц; 3 - Ри= 10)325 Па. (750 мм рт.ст.)

Рисунок 4

При фиксированном значении перегрева и = U1 = const отрезок ab = Qл - мощность, рассеиваемая

излучением, отрезок bc = Qк - мощность, рассеиваемая конвекцией, отрезок ac = Q - суммарная рас-

сеиваемая мощность.

Мощность, рассеиваемая конвекцией при U1 и давлении P'h (0<P' h<Pho), определяется по формуле:

/ - \0,5 ✓ ' ч 0,5

Qk = Qk f Pl1 или Qk = bd = bc-I Pl 1 • (6)

Мощность, рассеиваемая РЭС при Ui и P'h , определяется по формуле:

(p Y’5

Q = ad = ab + bd = ab + bc *1 —— I . (7)

v —Ho)

Аналогичным образом определяется Q'1 , т.е. отрезок a^1 при P'h и фиксированном значении перегрева U2= const.

Через точки 0, d1 и d проводим искомую кривую Q’ = f (и) при P'h.

Выбор параметров оребрения

Максимальный отвод теплоты от оребренной поверхности обеспечивается правильно выбранным межре-берным расстоянием.

Внешний вид оребренной поверхности показан на рис.5.

D - длина ребра; h - высота ребра; Ь - межреберное расстояние Рисунок 5

При естественном охлаждении межреберное расстояние Ь , обеспечивающее максимальный отвод теплоты от оребренной поверхности, определяется по зависимости Ь = f ^ и) на рис.6 [3].

Зависимость Ь = f (Б, Ь, и) при естественном охлаждении

// '/ 1 1 / } /fy / /

щ У /// А/ У/ У /

% /у 'Л f / / /

г 'У . 0 1 ; 7 4 А.

---------- - h = 2 0 мм, - - - - - - - h = 8 мм, -•-•-•-•-•- - h = 3 мм

Рисунок 6

При величинах h и и, находящихся между крайними значениями, приведенными на рис.6, величина Ь определяется путем аппроксимации.

При принудительном охлаждении межреберное расстояние принимается равным 5 мм.

Литература

1. Иофин А.А. Разработка автоматизированного метода моделирования и обеспечения тепловых режимов бортовой моноблочной РЭА на начальных этапах проектирования / Дис. канд. техн. наук. - Екатеринбург, 1996. - 161 с.

2. Фролов А.Д. Теоретические основы конструирования и надёжности радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для радиотехнич. Специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1970. - 488 с.

3. Иофин А.А. Графический метод выбора оптимального межрёберного расстояния пластинчатых радиаторов при естественной конвекции // Вопр. радиоэлектроники. Сер. ТРТО. - НИИЭИР, 197 6. - Вып.2.

- С.54-57.