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
Rт = 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 Rконв 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:
Rконв = ¾¾¾,
aк* S
где:
t1 - t2
aк = к A2(t1,t2) (¾¾¾)m,
L0
S - площадь поверхности,
aк - 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.
Rконв рассчитывается в программе итерационным методом: задаемся Rконв, подставляем, рассчитываем тепловой режим (t1), уточняем значение Rконв 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.
Rл = ¾¾¾,
aл * S
где aл = eл j F(t1, t2),
aл - лучистый коэффициент теплообмена, eл - 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:
Rл = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾,
5,67*10-8 eп 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.
