Вибір способу охолодження на ранній стадії проектування

Міністерство освіти Республіки Білорусь
Заклад освіти «Білоруський державний університет
інформатики і радіоелектроніки »
Кафедра РЕЗ
РЕФЕРАТ
на тему:
«Вибір способу охолодження на ранній стадії проектування»
Мінськ, 2008

Спосіб охолодження багато в чому визначає конструкцію, тому вже на ранній стадії проектування (технічна пропозиція та ескізний проект). Необхідно вибрати спосіб охолоджування і лише після цього приступити до розробки. На ранній стадії в розпорядженні конструктора є технічне завдання, в якому укладені відомості про характери теплового режиму, для вибору способу охолодження потрібні наступні дані:
- Потужність розсіюється в блок ;
- Діапазон можливої ​​зміни температури навколишнього середовища , ;
- Межі зміни тиску навколишнього середовища , ;
- Час безперервної роботи ;
- Температура найменш теплостійкого елемента ;
Перш ніж приступити до розрахунку, необхідно розрахувати коефіцієнт заповнення по обсязі:
. (1)
де - Обсяг i-го елемента;
- Кількість елементів;
- Об'єм займаний електронною системою.
Коефіцієнт заповнення за обсягом характеризує ступінь корисного використання об'єму він, як правило, задається в технічному завданні.
Розрахунок теплового режиму будемо здійснювати за допомогою графіків характеризують доцільність застосування різних способів охолодження. Ці графіки побудовані на основі статистичних даних. Для зручності їх використання необхідно отримати деякі кількісні дані.
При розрахунку час безперервної роботи повинно бути тривалим, тому що короткочасного або періодичного режимів описаний спосіб застосувати не можна. На теплові характеристики вплив чинить тиск, особливо знижене. Площа корпусу електронної системи і коефіцієнт заповнення за обсягом використовуються для визначення умовної величини поверхні теплообміну, який визначається:
(2)
де - Геометричні розміри корпусу апарату.
У тому випадку якщо спосіб охолодження вибирається для великого елемента, то величина поверхні теплообміну визначається з відповідних креслень на геометричні розміри поверхні знаходиться в безпосередньому контакті з теплоносієм. За основний показник, що визначає області доцільного застосування способу охолодження приймається величина щільності теплового потоку що проходить через поверхню теплообміну. Ця величина визначається наступним чином:
, (3)
де - Коефіцієнт, що враховує тиск повітря. Визначається за таблицями (наприклад Дульнік Г.М. "Тепломассаобмен в РЕА").
При нормальному атмосферному тиску .
Другим показником може служити мінімально допустимий перегрів елемента, який визначається наступним чином:
, (4)
де - Допустима температура корпусу найменш теплостійкого елемента, тобто це, є мінімальне значення температури елемента, а для великих елементів, це допустима температура охолоджувальної поверхні.
- Температура середовища; для природного повітряного охолодження , Тобто відповідає максимальній температурі яка задається в технічному завданні; для примусового повітряного охолодження , Тобто відповідає температурі повітря (рідини) на вході в електронну систему.
На малюнку 1 показані області доцільного застосування різних способів охолодження.
Верхні криві відповідають , Зазвичай їх застосовують для вибору способу охолодження великих елементів, нижні криві - блоків, стояків і т.д.
SHAPE \ * MERGEFORMAT

Рис.1 Області доцільності застосування

різних способів охолодження

Тут 1 - природне повітряне охолодження; 2 - можливе застосування природного та примусового повітряного охолодження; 3 - примусове повітряне охолодження, 4 - примусове повітряне та рідинне охолодження; 5 - примусове рідинне охолодження; 6 - примусове рідинне і природне випарне охолодження; 7 - примусове рідинне примусове і природне випарне охолодження; 8 - примусове і природне випарне охолодження; 9 - примусове випарне охолодження.
Найбільш повно завдання вибору способу охолодження розглянуто для області 1 і 2.
Розглянемо, наприклад порядок вибору способу охолодження, коли показники і потрапляють в область 2, для цієї мети побудовані додаткові графіки (рис. 2-5).
SHAPE \ * MERGEFORMAT

2

1

3

W =

D

T

c

p = 0.1

p = 0.7

V

Рис.2 Імовірнісні криві для ЕС в герметичному

корпусі при вільному повітряному охолодженні

з перемішуванням

SHAPE \ * MERGEFORMAT

2

1

3

W =

D

T

c

p = 0.1

p = 0.7

V

Рис.3 Імовірнісні криві для ЕС в герметичному

корпусі при вільному повітряному охолодженні

із зовнішнім обдуванням

4

3

D

T

c

p = 0.1

p = 0.7

V

Рис.4 Імовірнісні криві для ЕС в препароване

корпусі при вільному повітряному вентеляціі

SHAPE \ * MERGEFORMAT

q

G / P

200

600

1000

1400

1800

2200

2600

400

800

1200

p

0

Рис.5 Імовірнісні криві для апаратури з примусовим

продуваючи повітря

По осях координат відкладені показники електронних систем, причому на осі ординат дані 4 шкали (рис. 2) і 5 (рис. 3) для різних масових питомих витрат (передбачається на одиницю площі перерізу) примусового руху повітря, причому, якщо - Природне охолодження, а якщо - Внутрішнє перемішування повітря.
Приклад: електронна система з показниками , при природному повітряному охолодженні в герметичному корпусі ймовірність забезпечення теплового режиму , А при внутрішньому перемішуванні повітря з питомою витратою , Ймовірність забезпечення .
На рис. 5 на відміну від попередніх введено ще один показник - масова витрата повітря на одиницю розсіюваною електронної системи потужності . Витрата повітря на охолодження повинен бути заданий у технічному завданні або можна користуватися прийнятими наближеними оцінками:
- При раціональному конструюванні тепловий режим електронної системи можна забезпечити при питомій витраті повітря
- У стаціонарних електронних системах, де немає такого жорсткого обмеження по габаритах, масі і енергоспоживанню .
Збільшення витрати повітря має сенс у тому випадку, якщо це призводить до збільшення надійності електронної системи.
Розглянемо більш детально зміст імовірнісних оцінок наведених на рис. 2-5. При проектуванні електронної системи необхідно забезпечити виконання безлічі різних вимог, найважливішими з яких є:
- Електротехнічні вимоги;
- Висока надійність (напрацювання на відмову, безвідмовність роботи);
- Зменшення маси та обсягу;
- Створення нормального теплового режиму;
- Захист від ударів і вібрацій, акустичних шумів;
- Зниження вартості;
- Поліпшення технологічності і т.д.
З урахуванням сказаного процес проектування стає трудноформуліруемой завданням.
При виборі способу охолодження слід керуватися наступними правилами:
- Якщо крапка з заданими параметрами на одному з графіків (рис. 2-5) потрапляє в область ймовірності , То можна зупинитися на даному способі охолодження.
- Якщо , То можна вибрати цей спосіб охолодження, однак при конструюванні забезпеченню теплового режиму необхідно приділити тим більше уваги, чим менше ймовірність;
- Якщо , То не рекомендується вибирати цей спосіб охолодження в іншому випадку необхідно приділити особливу увагу забезпеченню теплового режиму, що передбачає можливість збільшення габаритів, маси та інших конструктивних рішень;
- Якщо , То забезпечити нормальний тепловий режим вдається вкрай рідко, а при - Практично неможливо.
Приклад: припустимо, що за технічним завданням необхідно визначити спосіб охолодження негерметичної електронної системи з наступними вихідними даними: , Режим тривалий, тиск поза блоком нормальне.
Рішення: точка зданими параметрами на графіку 1 потрапляє в область 2 де можливе застосування як природного повітряного так і примусового повітряного охолодження. За рис. 4 знаходимо, що нормальний тепловий режим апарату може бути забезпечений при природному охолодженні і в перфорованому кожусі з імовірністю . Оскільки ймовірність забезпечення нормального теплового режиму мала, необхідно приділити особливу увагу його забезпечення навіть на шкоду іншим характеристикам, тобто доцільно вибрати примусове повітряне охолодження.
Припустимо, що нам необхідно забезпечити нормальний тепловий ражим з імовірністю . Скористаємося графіками рис. 5 з яких визначаємо, що звідки , Отже, якщо керуватися рекомендаціями, викладеними вище, то можна зупинитися на цьому способі охолодження.
Відомо, що зниження тиску сприяє погіршенню умов теплообміну, оскільки температура елементів починає збільшуватися, хоча потужність, що розсіюється в блоці, залишається незмінною. Тому при розрахунку необхідно враховувати коефіцієнт , Який вибирається з таблиці (довідники). Часто для електронних систем використовується наддування корпусів герметичних блоків.
Завдання: припустимо, що необхідно вибрати спосіб охолодження блоку електронної системи, що працює в тривалому режимі в негерметичному відсіку літака при тиску . Вихідні дані блоку: .
З таблиці визначимо, що , Тоді отримаємо:

По кривим (рис. 1) визначаємо, що параметри блоку лежать на межі областей 2 і 3, отже доцільно вибрати примусове повітряне охолодження. Однак перевіримо можливість застосування природного повітряного охолодження, для цього скористаємося графіками 2-5. За графіком 2 при перевіримо можливість застосування герметичного корпусу без наддуву і з наддувом. З графіка видно, що ймовірність становить близько . Виходячи з рекомендацій, цей спосіб охолодження вибирати, не слід. Застосування наддування не призведе до значного поліпшення оскільки (Таблиця) і ймовірність близько .
Перевіривши внутрішнє перемішування зі швидкостями і з урахуванням , Які відповідно і можна переконається, що ймовірність забезпечення теплового режиму дещо збільшиться і відповідно і отже даний спосіб охолодження може бути використаний, однак для забезпечення необхідної швидкості внутрішнього перемішування повітря може знадобитися наддування. Саме тому необхідно розрахувати режими вентиляторів для внутрішнього перемішування повітря в блоці при зниженому тиску.
За рис. 3 при перевіримо можливість застосування зовнішнього обдування, , Тоді ймовірність , Отже, цей спосіб охолодження може бути прийнятий.
Якщо використовувати охолодження блоку продуву холодного повітря, то з рис. 5 випливає, що при питомій витраті повітря , То тепловий режим блоку може бути забезпечений з імовірністю .
Якщо ж використовувати перфорований корпус, то з рис. 4 можна отримати, що ймовірність блоку .

Загальні висновки
1. Якщо за умовою експлуатації блок повинен бути виконаний в герметичному корпусі, то необхідно вибрати примусове повітряне охолодження з внутрішнім перемішуванням повітря або з зовнішнім обдуванням. Якщо здійснити примусове охолодження не можливо, то для здійснення природного охолодження при наявності обдування необхідно або збільшити геометричні розміри блоку або знизити рассеиваемую потужність або знизити температуру навколишнього середовища.
2. Якщо за умовами експлуатації блок може бути виконаний не в герметичному корпусі, то з великою ймовірністю можна забезпечити нормальний тепловий режим при примусовому охолодженні з продуву холодного повітря. Цей спосіб є найкращим.

ЛІТЕРАТУРА
1. Достанко А.П., Пікуль М.І., Хмиль А.А. Технологія виробництва ЕОМ. - Мн.: Вишейшая школа, 2004.
2. Технологія поверхневого монтажу: Учеб. посібник / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфрієв Л.П. та ін - Мн.: «АРМІТ - Маркетинг, Менеджмент», 2000.
3. Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник / А.П. Достанко, В. Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв; За заг. ред. А.П. Достанко. - Мн. Обчислюємо. шк., 2002
4. Гуськов Г.Я., Блінов Г.А., Газаров А.А. Монтаж мікроелектронної апаратури М.: Радіо і зв'язок, 2005.-176с.
5. Гнучкі автоматизовані виробництва. Управління технологічністю РЕА / А. М. Войчінскій, Н. І. Діденко, В.П.Лузін.-М.: Радіо і зв'язок, 2007.-272 с.