Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Математические модели радиаторов охлаждения ЭРИ

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

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^-8e_пj (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.

Математические модели радиаторов охлаждения ЭРИ

Для системы воздушного охлаждения радиоэлектронных аппаратов и полупроводниковых силовых устройств широкое применение получили радиаторы, которые различаются по виду развитой площади поверхности, а именно: пластинчатые рис.2а, ребристые рис.2b, игольчато-штыревые рис.2в, типа “краб” рис.2г, жалюзийные рис.2д, петельно-проволочные рис.2е.

На рис. 2 приведены геометрические параметры, существенно влияющие на рассеиваемый радиатором тепловой поток: размеры основания L₁, L₂ (прямоугольное основание), диаметр D (круглое основание), толщина Q основания; высота h₁ (или h₂), толщина ₁ ребра или штыря и шаг S_ш между ними. Для петельно-провочных радиаторов характерными геометрическими параметрами являются высота h₂ витка, диаметр d проволоки, шаг навивки S₂ шаг укладки S₁ и коэффициент заполнения канала, равный отношению площади поперечного сечения спиралей к площади сечения канала. Значения указанных параметров для выпускаемых промышленностью радиаторов можно найти в нормативной документации.

Исследования теплообмена радиаторов различного типа позволили построить приближенную зависимость среднего перегрева _s=t_s-t_c основания площадью А от удельной тепловой нагрузки q= Ф/А при свободной и вынужденной вентиляции. Для характеристики теплообменных свойств радиатора используют следующие параметры: эффективный коэффициент теплоотдачи a_эф, тепловую проводимость , тепловое сопротивление R . Эти параметры связаны со средним перегревом _s основания и рассеиваемым потоком Ф зависимостями.

a_эфА= =R ^-1, (1)

Ф= _s=R ^-1 _s=a_эф _sА.

Формула (1) справедлива для радиатора любого из рассмотренных выше типов; вся сложность процессов переноса теплоты и конструктивные особенности сосредоточены здесь в одной величине – эффективном коэффициенте теплоотдачи. Последний может быть определен экспериментально или расчетным путем. В первом случае в основу положена зависимость (1), позволяющая по найденным из опыта значениям Ф и _s определить a_эф. С помощью этих графиков можно подобрать радиатор, средняя температура основания которого не превышает заданной величины t_s= _s +t_с.

На рис.2.6 схематически изображен радиатор 1 с закрепленным на нем прибором 2, внутри которого имеются источники мощностью Ф, разогревающие рабочую область прибора (например, область p-n-перехода транзистора) и его корпус до температур t_p и t_к, в месте крепления прибора к радиатору температура t_и, а средняя температура основания радиатора t_s.

Приведем исходную информацию, которая должна быть известна при проектировании или выборе радиатора: предельно допустимая температура рабочей области прибора (t_p)_доп или его корпуса (t_к)_доп; рассеиваемая прибором мощность Ф; температура t_с окружающей среды или набегающего потока; внутреннее тепловое сопротивление R_вн прибора между рабочей областью и корпусом; способ крепления прибора к радиатору, который характеризуется тепловым сопротивлением R_к контакта.

Рис.2.5. Радиаторы воздушного охлаждения.

Выбор радиатора

Рис.2.6. Температурное поле радиатора (1) и прибора (2).

Проектируемый радиатор должен удовлетворять некоторым дополнительным требованиям: иметь малую массу и габариты, выполнять свои функции при наименьшем расходе воздуха, если требуется принудительное охлаждение и т.п.

На рис.2.6 представлена схема соединения тепловых сопротивлений между рабочей областью и окружающей средой, из которой следует:

t_p-t_c=(t_p-t_k)+(t_k-t_и)+(t_и-t_c),

t_и-t_c=(t_p-t_c)-Ф(R_вн+R_к).

Структура тепловой модели системы электронный элемент-радиатор-кулер-окружающая среда приведена на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Элементы тепловой модели.

Рис. 2.8. Тепловая модель.

Назначение элементов тепловой модели, приведенной на рис. 2.7. и рис.2.8:

0-базовый (нулевой узел); 1- узел, моделирующий температуру электронного элемента; 2-узел, моделирующий температуру окружающей среды (воздуха); P- источник тепловой мощности; T – источник постоянной температуры окружающей среды; R52-1 тепловое сопротивление конвективной ветви радиатор-окружающая среда.

Варианты заданий к лабораторной работе

Таблица

Вари-ант (по спис-ку груп-пы)	Размеры электронного элемента (мм)	Мощность, выделяемая электронным элементом (Вт)	Допустимая температура электронного элемента	Темпера-тура окружа-ющей среды
	50*50
	50*45
	50*40
	45*45
	45*40
	50*50
	50*45
	50*40
	45*45
	45*40
	50*50
	50*45
	50*40
	45*45
	45*40
	50*50
	50*45
	50*40

Продолжение таблицы

	35*45
	35*30
	35*35
	40*35
	40*40
	45*40
	45*45
	50*45
	50*50

Радиатор пластинчатый алюминиевый. Коэффициент удельной теплопроводности алюминия 237 Вт/(м*К).

Порядок выполнения работы

- запустить программу Асоника-П;

- выбрать тепловой тип расчета и открыть новый файл для формирования модели теплообмена (“файл-новый-тепло”);

- используя кнопку “добавить” (надпись высвечивается при подведении к ней курсора, а на кнопке имеется рисунок с изображением резистора со знаком + над ним) вводить поочередно графические изображения элементов тепловой модели:

- используя пункт подменю “Узел” расставить на экране узлы модели (перетаскивая их мышкой) в соответствии с подготовленным эскизом модели теплообмена нумеруя их последовательно начиная с единицы, при этом узлы с одинаковым номером можно дублировать в разных местах модели для удобства проведения соединений;

- используя пункт подменю “Нулевой узел” расставить на экране базовые (общие) узлы модели, которые имеют номер “0”;

- используя пункт меню “добавить”- “вынужденная конвекция” – “обдув развитой оребренной поверхности (пластинчатое оребрение или игольчато-штырьковое в зависимости от задания)” ввести параметры конструкции конвективной ветви теплообмена радиатора с окружающим воздухом, выбрав в качестве материала радиатора алюминий технический, давление воздуха 760 мм.рт.ст.; полученную ветвь пронумеровать и подсоединить между узлом, моделирующим источник мощности и узлом, моделирующим температуру окружающего воздуха (источник постоянной температуры), используя кнопку “Соединить” (на ней имеется рисунок в виде желтого карандаша) и захватив мышкой конец соединяемой линии одного элемента не отпуская левой кнопки мышки тянуть ее до места соединения с линией другого элемента, после чего щелкнуть левой кнопкой мышки для окончания соединения; элементы модели для удобства соединений можно поворачивать используя пункт меню “Тепло”-“повернуть” (Рекомендуется выбирать параметры радиаторов в следующих границах: высота ребер или штырьков 20…40 мм, толщина ребер или диаметр штырьков 2…3 мм, шаг ребер или штырьков 8…10 мм, длина не более 60 мм, скорость воздуха не более 2 м/с);

- используя пункт меню “добавить”- “источники мощности” – “источник постоянной мощности” ввести в модель источник тепловой мощности в узле модели и соединить их между этим узлом и нулевым узлом;

- используя пункт меню “добавить”- “источники температуры” – “источник постоянной температуры” ввести в модель источник температуры окружающей среды (воздуха), задав его температуру и подсоединив его между узлом, моделирующим температуру окружающей среды и нулевым узлом.

На этом формирование модели заканчивается. Для удаления соединения или элемента модели его необходимо выделить мышкой и нажать на кнопку “Удалить” (имеет рисунок в виде пересекающихся красных линий). Для изменения параметров элемента модели его необходимо выделить мышкой и изменить необходимый параметр с помощью меню “тепло” – “параметры элемента”. Полученную модель необходимо сохранить в файле с выбранным именем и расширением.shh в папке “Sample”.

Произвести расчет стационарного теплового режима (“тепло” – “расчет” – “стационарный расчет” или кнопка с рисунком треугольника на главной панели). Проанализировать результаты расчета и, если температура транзистора превышает допустимое значение, увеличить площадь оребрения радиатора, определяемую количеством и геометрическими размерами ребер или штырьков радиатора. В этом случае можно также увеличить скорость потока воздуха, обдувающего радиатор (если размеры радиатора более чем в два раза превышают размеры электронного элемента). Если же температура транзистора значительно меньше допустимого значения, то необходимо уменьшить площадь оребрения радиатора приближая температуру транзистора к предельно допустимому значению. После изменения параметров радиатора повторить расчет. Указанные выше действия производить до тех пор, пока расчетная температура транзистора не будет менее чем на один градус отличаться от предельно допустимой.

Требования к отчету

Отчет о работе должен содержать:

- цель работы;

- краткое описание математического обеспечения (теплообмен в РЭС);

- описание объекта проектирования;

- исходные данные для программы расчета (конструктивные и теплофизические параметры тепловых ветвей);
- рисунок электротепловой модели (с экрана монитора, построенный в графическом редакторе);
- описание процесса проектирования и его результатов (диаграмма и таблица температур в узлах модели, окончательные параметры радиатора и скорость воздуха кулера).

Воспользуйтесь поиском по сайту: