Методические указания к лабораторной работе №5

РАСЧЕТ РАДИАТОРОВ ДЛЯ РЭА

 

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Целью работы является ознакомление студентов с методикой расчета радиаторов для РЭА.

 

Для выполнения работы студентам выдается один из вариантов задания.

Время на выполнение домашнего задания - 2 часа, общее время на выполнение работы, включая собеседование и отчет по работе - 4 часа.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Современные промышленные изделия различного назначения невозможно представить без применения радиотехнических устройств. Предъявляемые к ним жесткие требования по стойкости к температурным воздействиям в значительной мере влияют также и на содержащиеся в них системы. Например, отклонение температуры от допустимых пределов может повлечь за собой необратимые структурные изменения. Кроме того, повышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ускоряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов, значительно изменяет параметры работы полупроводниковых приборов. Также различие в коэффициентах линейного расширения может привести к разрушению залитых компаундами конструкций, корпусов полупроводниковых приборов и их кристаллов, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений. Следовательно, повышенная температура значительно снижает надежность устройств. Так увеличение температуры полупроводникового прибора в рабочем диапазоне на 20% повышает интенсивность отказов в 3 раза. В системах, где рассеиваемая мощность на единицу площади велика, используют различные способы отвода тепла. В таблице №1 приведены основные существующие методы.

В радиоэлектронной промышленности наиболее распространены два вида охлаждения: воздушное и принудительное воздушное. При массовом производстве выбор здесь очевиден – данные системы обходятся производителю максимально дешево, надежны и обеспечивают заданные тепловые режимы устройств.

Выбор типа радиатора (пассивного или активного) зависит от конкретной задачи. Например, в устройствах силовой электроники важно быстро и качественно отводить тепло от активных элементов. В комбинированных компьютерных системах необходимо использовать минимальный доступный объем воздушного пространства максимально эффективно. В энергосберегающих системах можно использовать лишь пассивное охлаждение для снижения потребляемой энергии.

Обычно расчет радиаторов производится исходя из температуры окружающей среды и допустимом перегреве охлаждаемого компонента. Не стоит забывать, что в большинстве случаев печатные платы устройств находятся в корпусе, это в свою очередь повышает температуру окружающего воздуха до 40-50 градусов.

Важным показателем при расчете любых видов радиаторов является тепловое сопротивление. Тепловое сопротивление радиатор-среда сильно зависит от конструкции радиатора: такой, как на процессорах, например, предназначен для активного охлаждения. Без кулера его эффективная площадь в три раза меньше геометрической. Пассивный радиатор имеет толстые ребра и большие промежутки между ними для лучшей конвекции воздушного потока.

Важной характеристикой является тепловое сопротивление корпус-радиатор. Показатель теплового сопротивления корпус-радиатор для корпуса ТО-220 порядка 0,5 градус/Вт. При использовании изолированного (пластмассового) корпуса или наличия прокладки сопротивление может повыситься до 1,5 град/Вт. Т.е. при мощности 20 Вт корпус будет 10-30 градусов теплее радиатора (при использовании термопасты где-то на 0,2...0,3 гр/Вт меньше). При этом кристалл горячее корпуса, а кристалл радиоэлектронных компонентов в рабочем режиме обычно нельзя нагревать выше 125 градусов.

Выбор толщины подошвы радиатора обычно определяется режимом работы компонента. В импульсной режиме подошву выбирают толстой для того, чтобы обеспечить максимально быстрый отвод тепла от зоны корпуса, площадь поверхности при этом уже не является решающим параметром.

 

Таблица №1

Охлаждение	Преимущества	Недостатки	Область применения
Принудительное воздушное	Низкая цена, отсутствие утечек	Большой объем, необходимо распределение тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы	Практически во всех областях электроники
Жидкостное	Малый объем, гибкая конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов	Необходим компрессор, возможны утечки, высокая цена	Лазерные диоды, силовая электроника
Тепловые трубы	Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов	Ограниченная теплонесущая способность, высокая цена, сложная конструкция	Портативные компьютеры, силовая электроника, космос
Компрессорное	Малый объем, низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры	Высокая цена, сложная конструкция, акустические шумы	Экспериментальные системы, кондиционирование
Термо-электрическое	Малый объем, низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры	Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффективность	Оптоэлектроника
Термо-акустическое	Низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры	Отсутствуют разработанные промышленные технологии	Экспериментальные системы для космоса

Виды радиаторов

 

Радиаторы классифицируются по нескольким параметрам:

1) Материал изготовления: алюминий, сталь, медь и другие металлы;

2) Тип: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, жалюзийные (ребристо-платинчатые), типа «краб», петельно-проволочные, фольгированные;

3) По типу ребра: прямые, кольцевые, неправильной формы;

4) Способ теплообмена с окружающей средой: пассивные, активные;

По способу крепления: на плату или непосредственно к радиоэлектронному компоненту.

Наиболее распространенные виды радиаторов приведены на рисунках 1-3.

 

Рис. 1 - Пластинчатый радиатор

 

 

Рис. 2 - Игольчатый радиатор

 

 

Рис. 3 - Пластинчатый радиатор для мощных светодиодов

 

Использование того или иного типа радиатора обоснованно рассеиваемой тепловой мощностью, требованиям к аэродинамике, размерам радиатора, а также экономической целесообразностью. Применяя радиаторы для охлаждения радиоэлектронных компонентов необходимо учитывать то, что даже в ждущем режиме через компонент все равно протекает ток, соответственно, происходит непрерывное выделение мощности.

 

 

Расчет ребристого радиатора как элемента теплообмена с принудительной конвекцией

Ниже приведена методика, на примере процессора Intel Pentium4 Willamette 1.9 ГГц и кулера B66-1A производства компании ADDACorporation, описывающая порядок расчета ребристых радиаторов, предназначенных для охлаждения тепловыделяющих элементов РЭА с принудительной конвекцией и плоскими поверхностями теплового контакта мощностью до 100 Вт. Методика позволяет произвести практический расчет современных высокоэффективных малогабаритных устройств для отвода тепла и применить их ко всему спектру устройств радиоэлектроники, нуждающихся в охлаждении.

Параметры, задаваемые в исходных данных:

, мощность, выделяемая охлаждаемым элементом;

 температура среды (воздуха) в градусах Кельвина;

предельная температура кристалла;

средняя температура основания радиатора;

высота ребра радиатора в метрах;

толщина ребра в метрах; b = 1,5 10"³ м, расстояние между ребрами;

, коэффициент теплопроводности материала радиатора;

размер радиатора вдоль ребра в метрах;

 размер радиатора поперек ребер;

 толщина основания радиатора;

скорость воздуха в каналах радиатора;

число ребер радиатора;

температура перегрева основания радиатора, вычисляется в процессе расчета;

степень черноты радиатора.

Предполагается, что источник тепла расположен по центру радиатора.

Все линейные размеры измеряются в метрах, температура в градусах Кельвина, мощность в ваттах, а время в секундах.

Конструкция радиатора и необходимые для расчетов параметры показана на рисунке ниже:

Рис. 4 – Структура рассчитываемого радиатора.

 

Порядок расчета:

1. Определяем суммарную площадь сечения каналов между ребрами по формуле:

Для центральной установки вентилятора, воздушный поток выходит через две торцевые поверхности и площадь сечения каналов удваивается и равняется 2

2. Задаемся двумя значениями температуры основания радиатора и проводим расчет для каждого значения:

 

Отсюда определяется температура перегрева основания радиатора  относительно окружающей среды.

Для первой точки для второй

3. Определяем температуру , необходимую для расчета критериев Нуссельта (Nu) и Рейнольдса (Re):

где:

 - температура окружающего воздуха, среды,

 - скорость воздуха в каналах между ребрами, в м/сек;

  - суммарная площадь поперечного сечения каналов между ребрами, в м²;

- плотность воздуха при температуре в кг/м,

- теплоемкость воздуха при температуре , в Дж/(кг*К);

 – мощность, отводимая радиатором.

 

       Величина, для данного ребристого радиатора с центральной установкой вентилятора, из расчетов 1,5 - 2,5 м/сек (См. Приложение 2), из публикаций [Л.3] около 2 м/сек. Для коротких, расширяющихся каналов скорость охлаждающегося воздуха может достигать 5 м/сек.

4. Определяем величины критериев Рейнольдса и Нуссельта, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи ребер радиатора:

где:

- коэффициент кинематической вязкости воздуха при   м²/с из Приложения 1, таблица 1.

 

5. Определяем коэффициент конвективного теплообмена ребер радиатора:

где:

- коэффициент теплопроводности воздуха (Вт/(м град)), при из Приложения 1, таблица 1.

6. Определяем вспомогательные коэффициенты:

Определяем значение m*H и тангенса гиперболического th(m*H)

 

7. Определяем количество тепла, отдаваемое конвекцией с ребер радиатора:

где:

- число ребер;

 коэффициент теплопроводности металла радиатора, Вт/(м *К);

м. формулу 7;

- площадь поперечного сечения ребра радиатора, м²,

 температура перегрева основания радиатора.

Вт

8. Определяем среднюю температуру ребра радиатора:

где:  косинус гиперболический.

9. Определяем лучистый коэффициент теплообмена:

Коэффициент облученности:

10. Определяем площадь поверхности излучающей тепловой поток:

 

11.Определяем количество тепла, отдаваемое через излучение:

Вт

12.Общее количество тепла отдаваемое радиатором при заданной температуре радиатора

13.Повторяем вычисления для температуры радиатора  и строим по двум точкам тепловую характеристику рассчитанного радиатора. Для этой точки  Здесь по вертикальной оси откладывается количество тепла отдаваемое радиатором , а по горизонтальной температура радиатора .

Рис. 5 – Тепловые характеристики медного кулера.

 

Из полученного графика определяем для заданной мощности 67 Вт,

14.По тепловой характеристике радиатора определяем, что при заданной мощности  температура радиатора  Температуру перегрева радиатора можно определить по формуле 2.

Она равна

15.Определяем температуру кристалла и сравниваем её с предельным значением,

установленным производителем

где:

  - температура основания радиатора для данной расчетной точки,

 результат вычисления по формуле 14,

- тепловое сопротивление корпус процессора - кристалл, для данного теплового источника равна 0,003 К/Вт

- тепловое сопротивление корпус-радиатор, для данного теплового источника равна 0,1К/Вт (с теплопроводящей пастой).

Полученный результат ниже определенной производителем предельной температуры, и близко данным [Л.2] (порядка 57 °С). При этом температура перегрева кристалла относительно окружающего воздуха в приведенных расчетах 32°С, а в [Л.2] 34°С.

В общем виде, тепловое сопротивление между двумя плоскими поверхностями при применении припоев, паст и клеев:

где:  - толщина зазора между радиатором и корпусом охлаждаемого узла, заполненного теплопроводящим материалом в м,

 - коэффициент теплопроводности теплопроводящего материала в зазоре Вт/(м К),

- площадь контактной поверхности в м².

Приближенное значение  при достаточной затяжке и без прокладок и смазок равно

При применении паст, тепловое сопротивление падает примерно в 2 раза.

16. Сравниваем , мы получили радиатор обеспечивающий  меньше  - заданный радиатор обеспечивает с запасом тепловой режим узла.

17. Определяем тепловое сопротивление рассчитанного радиатора:

Рассчитанный теплообменник обеспечивает отвод тепловой мощности 67 Вт при температуре окружающего воздуха до 23 °С, при этом температура кристалла 325 К (62°С) не превышает допустимую для данного процессора 348 К (75°С).

Применение специальной обработки поверхности для увеличения отдачи тепловой мощности через излучение на температурах до 50 °С оказалось неэффективно и не может быть рекомендовано, т.к. не окупает затрат.

Данный материал поможет Вам не только рассчитать и изготовить современный малогабаритный высокоэффективный теплообменник, подобный тем, что широко применяются в компьютерной технике, но и грамотно принимать решения по применению подобных устройств, применительно к Вашим задачам.

УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

 

Для заданных параметров в соответствии с заданным вариантом выполнить расчет радиатора для теплонагруженного компонента РЭА.

При выполнении расчетов использовать методику приведенную в теоретической справке и справочные данные из приложений.

 

СОДЕЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

В отчете необходимо внешний вид используемого радиатора, исходные данные и результаты вычислений. По результатам работы сделать выводы.

 

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

 

№ варианта	Мощность, выделяемая охлаждаемым элементом, Вт	Температура среды (воздуха), К	Размер вентилятора, мм
1	25+2*n	273+3*n	30х30
2			40х40
3			60х60
4			70х70
5			80х80
6			90х90
7			30х30
8			40х40
9			60х60
10			70х70
11			80х80
12			90х90
13			30х30
14			40х40
15			60х60
16			70х70
17			80х80
18			90х90
19			30х30
20			40х40

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Справочник конструктора, под ред.. Р.Г.Варламова, М, Советское радио, 1980;

2. http://www. ixbt.com/cpu/, Кулеры для Socket 478, сезон весна-лето 2002, Виталий Криницин, Опубликовано — 29 июля 2002 г;

3. http://www. ixbt.com/cpu/, Измерение скоростей воздуха за охлаждающими вентиляторами и кулерами, Александр Цикулин, Алексей Рамейкин, Опубликовано — 30 августа 2002 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1