Уч. пособие к лаб. раб. по ОКТРЭС (UP-2-3)

Посмотреть архив целиком


Р а б о т а 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА ЦИФРОВОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА НА БЕСКОРПУСНЫХ МИКРОСБОРКАХ

Цель работы – изучение процесса теплообмена, методики исследования тепловых режимов. Выявление связи показателей теплового режима с параметрами конструкции блока цифрового радиоэлектронного средства (РЭС) на бескорпусных микросборках (МСБ).


Краткие теоретические сведения


Радиоэлектронные средства являются преобразователями электрической энергии. Вследствие низкого КПД большинства РЭС практически вся потребляемая от источников питания энергия преобразуется в тепло, которое расходуется на нагревание деталей и узлов и частично рассеивается в окружающее пространство. Пространственно-временное распределение температуры в пределах конструкции определяет её тепловой режим, который количественно принято характеризовать температурным полем и перегревом.

Температурным полем называют совокупность численных значений температуры в различных точках конструкции в некоторый момент времени τ. Перегревом j­ой точки конструкции принято называть разность температур этой точки tj и окружающей среды t­с, т.е. Vj = tjt­c.

Тепловой режим конструкции считается нормальным, если температура tj в любой точке конструкции не превышает допустимую рабочую температуру наименее теплостойкого элемента tэл min или перегрев любой точки Vj меньше допустимого для конструкции
Vдоп = t­j - t­с.

Показатели теплового режима конструкции зависят от ряда факторов: мощности P и распределения тепловыделяющих элементов (источников тепла), времени работы конструкции τ, параметров конструкции и окружающей среды, теплофизических свойств материалов, эффективности теплообмена конструкции с окружающей средой.

При естественном воздушном охлаждении, характерном для РЭС, теплообмен между конструкцией и окружающей средой происходит тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью (кондукцией). Оценкой эффективности теплообмена конструкции с окружающей средой является тепловой поток – количество тепла от поверхности конструкции к среде за единицу времени.

Тепловой поток при теплопередаче конвекцией определяется уравнением Ньютона:

где αк – конвективный коэффициент передачи; ­S – площадь поверхности теплообмена; t1, tc – соответственно температуры поверхности теплообмена и окружающей среды.

При теплопередаче излучением тепловой поток и характеристики нагретого тела связаны уравнением Стефана­‑Больцмана:

(3.1) 

где C­0 = 5,67 Вт/(м2·град4) – коэффициент излучения "абсолютно черного" тела; ε­пр – приведенная степень черноты поверхностей тел, участвующих в теплообмене; φ­12 – коэффициент облученности, показывающий, какая часть энергии, излучаемой первым телом, попадает на второе.

В результате несложных преобразований уравнение (3.1) приводится к виду:

где - коэффициент теплопередачи излучением.

Теплообмен теплопроводностью (кондукцией) характерен для твёрдых тел, а также неподвижных жидкостей и газов. Тепловой поток между изотермическими поверхностями S1 и S2 с температурами t­1 и t­2 при
t­1 > t­1 определяется уравнением Фурье:

Здесь αт = λ/lкондуктивный коэффициент передачи; λ – коэффициент теплопроводности материала; l – расстояние между изотермическими поверхностями; Sср = 0,5(S1 + S2) – площадь средней изотермической поверхности.

Согласно принципу электротепловой аналогии, произведения
αкS = σk, αлS = σл, αтSср = σт являются тепловыми проводимостями при конвективном, лучевом и кондуктивном теплообмене. Обратные величины представляют собой тепловые сопротивления к, Rл и Rт.

Исследование теплового режима состоит в определении tj=tj(τ,P) или V­j=Vj(τ,P). В установившемся (стационарном) режиме V­j не зависит от времени, а зависимость V­j=Vj(P) называют тепловой характеристикой jой точки (области) конструкции.

В общем случае исследование тепловых режимов выполняют в следующем порядке: определяют класс конструкции и составляют её тепловую модель; реализуют тепловую модель математически и рассчитывают показатели теплового режима; дают оценку точности теплового моделирования.

В класс объединяются конструкции, имеющие общие признаки и одинаковую физическую основу протекания тепловых процессов. При определении класса конструкций учитывают такие признаки, как структура нагретой зоны, способ охлаждения нагретой зоны, способ охлаждения кожуха и др.

Тепловую модель конструкции или класса получают в результате анализа конструкций, выявления их теплофизических свойств и идеализации процессов теплообмена. Наиболее часто тепловое моделирование выполняется методами изотермических поверхностей и однородного анизотропного тела.

Метод изотермических поверхностей предполагает выделение в конструкции поверхностей с одинаковыми или условно одинаковыми температурами в каждой точке поверхности. Считается, что теплообмен осуществляется между этими поверхностями. В зависимости от конкретной задачи исследования к изотермическим поверхностям конструкций относят поверхность корпуса со среднеповерхностной температурой tк, поверхность нагретой зоны с температурой tз, поверхность отдельной функциональной ячейки с температурой tзj, поверхность отдельного элемента с температурой tэл j и т.д.

Пример построения тепловой модели методом изотермических поверхностей приведен на рис. 3.1 (а – схематическое изображение исходной конструкции; б, в – тепловые модели блока, построенные по методу изотермических поверхностей).

Метод однородного анизотропного тела состоит в представлении реальной конструкции или её части однородным анизотропным телом в виде прямоугольного параллелепипеда, для которого находят эквивалентные коэффициенты теплопроводности по направлениям осей координат λx, λy­, и λz. При известных коэффициентах теплопроводности и геометрических размерах тела lx, ly, lz можно определить тепловое сопротивление между центром тела и его поверхностью:

Здесь C – коэффициент, зависящий от отношений геометрических размеров тела и эквивалентных коэффициентов теплопроводности. Значение C обычно представляют графически (см. рис. ПI в приложении). Графики строят для определенных условий выбора направлений осей координат однородного анизотропного тела. Такими условиями являются неравенства

Значение R0 позволяет найти температуру в центре однородного тела t0 = tS + R0P, где tS – температура на поверхности тела; P – суммарный тепловой поток источников, расположенных внутри тела.

Для определения эквивалентных коэффициентов теплопроводности конструкции λx, λy­, λz необходимо: выделить в структуре конструкции элементарную тепловую ячейку, состоящую из однородных по теплофизическим характеристикам простейших тел правильной геометрической формы; составить схемы теплопередачи в ячейке по направлениям x, y, z и в результате преобразования схем найти тепловые проводимости ячейки σ­яx, σяy, σяz­; через тепловые проводимости элементарной конструкции lx, ly, lz найти тепловые проводимости эквивалентного анизотропного тела σ­x, яy, σz­ и коэффициенты теплопроводности λx, λy­, и λz.

Элементарная тепловая ячейка представляет собой наименьший объем, включающий один или несколько тепловыделяющих элементов, многократное повторение которого по трем направлениям позволяет воспроизвести исходную конструкцию. Если в конструкции с геометрическими размерами lx, ly, lz по направлениям осей координат укладывается соответственно k, m, n элементарных тепловых ячеек (рис. 3.2), то


Метод однородного анизотропного тела применим к конструкциям МЭА с регулярной структурой, т.е. к конструкциям, содержащим большое число одинаковых в конструктивном отношении элементов, повторяющихся во всех трех измерениях.

Для расчета показателей теплового режима конструкций МЭА используются методы: последовательных приближений, тепловой характеристики и коэффициентный.

Метод последовательных приближений основан на итеративном процессе вычисления перегрева Vj или температуры tj. Начальным значением перегрева V'j (температуры t'j) j­ой точки конструкции или изотермической поверхности задаются произвольно, после чего определяют суммарную тепловую проводимость σ'Σ и расчетное значение перегрева V'jP (температуры t'jP) в первом приближении:

При выполнении неравенства |V'j - VjP|< δ, где δ = 1...20С, за истинное значение перегрева принимают V'j или V'jP. Если неравенство не выполняется, то повторяют расчет, положив V"j = V'jP.

Метод тепловой характеристики состоит в построении по расчетным данным зависимости Vj = Vj(P), по которой для любого значения теплового потока P можно найти перегрев и температуру jой точки или изотермической поверхности.

Для построения тепловой характеристики задаются произвольным значением перегрева V'j, определяют σ'Σ и далее тепловой поток P'= σ'Σ·V'j, который способна рассеять конструкция при данных условиях теплообмена. Координаты V'j и Pj служат одной точкой тепловой характеристики; второй точкой является начало координат. Таким образом, тепловая характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат и точку с координатами V'j и P' (рис. 3.3).

В коэффициентном методе для определения перегрева используется теоретическое соотношение

где V0j значение перегрева в типовой конструкции при исходных значениях параметров конструкции и окружающей среды; K­j=Vij/V­0j – коэффициенты, характеризующие парциальное влияние отклонений параметров на показатели теплового режима, Vij – значение перегрева jой точки конструкции при изменении iго параметра; n число влияющих на перегрев параметров.

Значения V­0j и K­j находят из графиков, построенных по экспериментальным или расчетным данным.

Ввиду того, что коэффициенты K­i различны для разных классов конструкций, возможности коэффициентного метода ограничиваются применимостью его лишь к определённому классу конструкций.


Описание объекта исследования


Проводится исследование теплового режима блока цифровой РЭС IV поколения. Конструкция блока показана на рис. 3.4.


Рис. 3.4

Блок собран на пяти односторонних функциональных ячейках 3, на каждой из которых размещено по восемь бескорпусных резистивных ситалловых подложек типоразмера 24х30 мм. Металлическая рамка ячейки с габаритными размерами 154х91х6 мм изготовлена из алюминиевого сплава Д 16. Коммутационная плата ПП выполнена из фольгированного стеклотекстолита СФ-1 толщиной 1,5 мм. Печатные проводники платы обеспечивают параллельное соединение микросборок и входное сопротивление блока около 40 Ом. Крепление ПП к металлической рамке и подложек к теплоотводящим планкам производится с помощью эпоксидного клея ЭДП. Для защиты от влаги ячейка покрывается одним слоем лака УР-231.

ФЯ собираются в пакет с габаритными размерами 154х91х30 мм. Пакет ячеек шестью латунными винтами 6 М 3х35 крепится к бобышкам 2 основания корпуса, имеющим высоту 8 мм.

Корпус микроблока 1 с габаритными размерами 183х108х46 мм выполнен из алюминиевого сплава Д16. На передней стенке основания корпуса смонтирован разъем 5, на который с помощью жгута из проводников МГТФ выведены цепи питания ФЯ и температурные датчики. Для герметизации блока между основанием и крышкой 4 устанавливается эластичная резиновая прокладка 7. Крепление крышки к основанию производится десятью винтами М 3х8. На внешнюю поверхность корпуса нанесено оксидное покрытие.


Тепловая модель микроблока


Для составления тепловой модели блока пользуются методами изотермических поверхностей и однородного анизотропного тела. Предполагается, что поверхность корпуса блока и поверхность нагретой зоны являются изотермическими соответственно со среднеповерхностными температурами tк и tз. Нагретая зона представляет собой однородное анизотропное тело с эквивалентными коэффициентами теплопроводности λx, λy­, и λz. Тепло, выделяемое резисторами микросборок за счет теплопроводности нагретой зоны, передается на её поверхность. С поверхности нагретой зоны теплопроводностью воздушных прослоек (в прослойках малой толщины конвективный теплообмен мало эффективен), теплового контакта между нижней ФЯ и бобышками основания, теплопроводностью самих бобышек, а также излучением тепло передаётся на корпус, оттуда конвекцией и излучением – в окружающее пространство. Тепловая схема микроблока приведена на рис. 3.5, где приняты следующие обозначения: σзо – тепловая проводимость между центром нагретой зоны и её поверхностью; σзкл, σзкв – тепловые проводимости между поверхностью нагретой зоны и корпусом при лучевой и кондуктивной теплопередаче через воздушные прослойки; σзкэтк· σб/(σтк + σб) – эквивалентная тепловая проводимость теплового контакта и бобышек основания; σкск, σкслтепловые проводимости между корпусом и окружающей средой при теплообмене конвекцией и излучением.

Содержание работы


Случайные файлы

Файл
14506.rtf
154643.rtf
70971-1.rtf
14517-1.rtf
165207.doc