Основные теоретические положения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

“АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ РАДИАТОРА ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА РЭС”

Введение

Цель работы - моделирование теплового режима электронного элемента радиоэлектронного средства (РЭС) и подбор параметров радиатора охлаждения и кулера для обеспечения его заданной теплостойкости.

Порядок выполнения работы:

а) используя данные для своего варианта задания (согласно номера в списке группы) составить электротепловую модель системы электронный элемент-радиатор-кулер-окружающая среда.

б) используя программу расчета тепловых режимов конструкций РЭС “Асоника-П” в ее графическом редакторе построить тепловую модель задавая конструктивные и теплофизические параметры ее тепловых ветвей, в том числе радиатора охлаждения транзистора и скорость потока воздуха, создаваемую кулером.

в) запустив программу расчета “Асоника-П” определять температуры в узлах модели и варьируя параметры радиатора и скорость воздуха, добиться заданного теплового режима электронного элемента при минимально необходимых для этого габаритах радиатора, при этом скорость потока воздуха не должна превышать 1м/с.

Большие трудности в разработке РЭС традиционными методами приводят к необходимости автоматизации проектирования с применением ЭВМ. В связи с этим создаются разнообразные по возможностям и назначению алгоритмы проектирования РЭС, являющиеся важным инструментом разработчика и позволяющие моделировать те или иные процессы, происходящие в РЭС.

Математическое обеспечение САПР состоит из математических моделей объектов проектирования методов и алгоритмов выполнения проектных операций и процедур. Основу математического обеспечения САПР составляет математический аппарат для моделирования, анализа и оптимизации проектируемого объекта.

Тепловые режимы РЭС в значительной степени определяют надежность ее работы. Микроминиатюризация устройств электроники привела к необходимости еще больше обращать внимание на тепловые режимы аппаратуры.

Элементы и механические части конструкции электронной аппаратуры могут нормально функционировать в ограниченном температурном диапазоне, то есть обладают ограниченной термостойкостью. Термостойкость - это способность материалов, элементов кратковременно или длительно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также резких изменений температуры (термоударов). Термостойкость материалов, элементов определяют, как правило, по началу существенных изменений их свойств или параметров, обусловленных различными физико-химическими процессами. Величину термостойкости оценивают диапазоном температур, на границах которого наступают указанные изменения. С термостойкостью связано другое важное понятие: допустимые температуры для материалов и элементов. В некоторых случаях величина допустимой температуры может быть достаточно обоснована свойствами материалов (термостойкостью), в большинстве случаев она устанавливается на основании опыта эксплуатации.

Все элементы, из которых собрана аппаратура, должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если выполняются два условия: 1) температура элемента в условиях эксплуатации заключена в пределах, ограничивающих диапазон температур, допустимых для данного элемента; 2) температура элемента такова, что будет обеспечена его работа с заданной надежностью. Тепловой режим аппарата считается нормальным, если для всех элементов, смонтированных в аппарате, выполняются сформулированные выше условия.

Обеспечение нормального теплового режима является одной из главных задач, решаемых при проектировании аппаратуры. Для решения этой задачи принимается ряд мер: выбирают определенные типы элементов в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры; вводят в аппаратуру специальные нагреватели, разогревающие ее при отрицательных температурах среды; применяют рациональное размещение элементов, узлов и блоков; выбирают форму и размеры отдельных конструктивных составляющих; применяют специальные средства охлаждения отдельных элементов и аппаратуры в целом. Как правило, меры, применяемые для обеспечения нормального теплового режима элементов и аппаратуры, приводят к увеличению габаритных размеров, необходимости установки дополнительного оборудования, перерасходу электроэнергии, увеличению веса и усложнению конструкции. Поэтому очень важно технически грамотно обосновать применяемые меры, то есть найти оптимальное решение, компромиссное между необходимостью обеспечить нормальный тепловой режим элементов и недопустимостью существенного увеличения потребления энергии, веса, габаритов и т. д. Обоснование применяемых мер может быть получено путем расчета тепловых режимов проектируемой аппаратуры.

Основные теоретические положения

Кондуктивный теплообмен

Тепловое сопротивление кондуктивной ветви

L

R_т = ¾¾¾ ,

l* F

где : L - длина пути теплового потока,

l - коэффициент теплопроводности материала,

F - площадь поперечного сечения теплового потока.

Рис. 2.1. Изображение кондуктивной ветви.

Конвективный теплообмен

Природа конвекции - перемешивание объемов с разной температурой, плотностью. Конвективный теплообмен происходит между твердым телом и газом или жидкостью. Конвективное сопротивление R_конв зависит от температурных напоров: чем больше разница, тем интенсивнее конвективный теплообмен; чем больше площадь поверхности, тем больше интенсивность теплообмена.

Рис. 2. 2. Модели конвективного теплообмена.

Рис.2.3. Коэффициенты для учета направления теплообмена.

На рисунке 2.2 показаны электротепловая (а) и тепловая (б) модели конвективного теплообмена. В электротепловой модели температура окружающей среды задается с помощью источника ЭДС. Конвективный теплообмен зависит от ориентации поверхности в пространстве. На рисунке 2.3 представлены коэффициенты, учитывающие ориентацию поверхности. Тепловое сопротивление конвективной ветви:

R_конв = ¾¾¾ ,

a_к* S

где:

t₁ - t₂

a_к = к A₂(t₁,t₂) (¾¾¾ )^m ,

L₀

S - площадь поверхности,

a_к - конвективный коэффициент теплообмена,

к - коэффициент ориентации поверхности в пространстве,

A₂ - коэффициент, зависящий от температуры поверхности (t₁) и температуры среды (t₂),

L₀ - определяющий (минимальный) размер поверхности в плане,

m – показатель степени (закон степени 1/8, 1/3 или 1/4).

Закон степени 1/8 - при охлаждении тонких, длинных стержней, режим - ламинарный, теплообмен незначительный.

Закон степени 1/4 - интенсивное ламинарное движение теплоносителя, теплообмен выше, чем в предыдущем случае.

Закон степени 1/3 - вихревое движение теплоносителя, теплообмен наиболее интенсивный из рассмотренных случаев.

R_конв рассчитывается в программе итерационным методом: задаемся R_конв, подставляем, рассчитываем тепловой режим (t₁), уточняем значение R_конв и т. д. до необходимой точности.

Лучистый теплообмен

Лучистый теплообмен происходит:

1) между твердыми телами,

2) между твердым телом и окружающей средой.

На рисунке 2.4 показаны совместные электротепловая (а) и тепловая (б) модели лучистого и конвективного теплообменов.

R_л = ¾¾¾ ,

a_л * S

где a_л = e_л j F(t₁, t₂),

a_л - лучистый коэффициент теплообмена, e_л - приведенная степень черноты поверхности, равная произведению степеней черноты излучающего и принимающего тел;

Рис. 2.4.Модель лучистого и конвективного теплообменов.

j - коэффициент облученности (доля излучения, попадающая на соседнее тело или в окружающую среду), S - площадь поверхности излучающего тела.

Тепловое сопротивление лучистой ветви:

R_л = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾,

5,67*10^-8 e_п j (t₁- t₂) (t₁²- t₂²)S

где: t₁,t₂ - температуры поверхностей теплообмена.

Входные параметры для расчета теплового режима - данные о структуре тепловой модели, а также значения рассеиваемых на радиоэлементах мощностей, геометрические размеры элементов конструкции и т. д.