3344

Рис. 5.2. Типы систем охлаждения:

а - естественное воздушное охлаждение; б- естественная вентиляция (корпус с перфорацией); в – внутреннее перемешивание воздуха; г,д –принудительное воздушное; е - естественное жидкостное; ж - термосифонное; 3 - жидкостное с внутренним перемешиванием; и, к – принудительное жидкостное; л - естественное испарительное; м - термосифонное испарительное; н,о - принудительное испарительное; п

(1-плата, 2 компоненты, 3 тепловые шины, 4 коллектор, 5-теплообменник), р, с - кондуктивное

52

Рис. 5.3. Термоэлектрическое охлаждение:

1- охлаждаемое устройство; 2 - слой электроизоляции на холодном спае термобатарей; 3-термоэлементы;

4 - коммутационные пластины; 5 - слой электроизоляции на горячем спае; 6 - радиатор

тепловую энергию в процессе фазовых превращений или химических реакций.

Наличие широкой номенклатуры СО, отличающихся сложностью, стоимостью, массой, габаритами, потреблением энергии, требует соответствующих методов выбора их типа, состава и параметров функционирования. При этом такие вопросы должны решаться на ранних этапах разработки, так как применяемый тип и реализация СО оказывает существенное влияние на конструкцию РЭС.

Таким образом, в процессе ТП задачи структурного синтеза заключаются в выборе типа, схемы построения, состава и структуры системы охлаждения, параметрического - в определение параметров СО и входящих в нее теплоотводящих устройств: радиаторов, теплообменников, тепловых труб, тепловых шин и т. д. Составной частью этих

53

задач является оптимизация структуры и параметров СО, а также конструктивных параметров РЭС (габариты, размеры отдельных конструктивных составляющих, материалы, расположение тепловыделяющих элементов – схемных компонентов на плате, узлов в блоке и т. д. ) по тепловым критериям. Содержание задач анализа состоит в исследовании тепловых процессов в конструкциях определенного уровня иерархии и изделия в целом, моделировании температурных полей и оценке на основе полученных результатов выполнения требований и ограничений по тепловому режиму.

Таким образом, рациональное построение процесса теплового проектирования требует взаимосвязанного проведения процедур синтеза и анализа, что не всегда реализуется на практике.

Широко используемый подход к организации теплового проектирования РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечение теплового режима в основном на этапе конструкторско-топологического проектирования. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляющихся после решения какой-либо задачи конструкторского синтеза (размещение, компоновка, выбор и разработка конструкций блоков, стоек и т.д.), если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции.

Для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения теплового режима уже на ранних этапах, в том числе и относящихся к функциональному аспекту, а при разработке конструкций использовать методы и интегрированные процедуры конструктивно-теплового синтеза. Под конструктивно-тепловым синтезом понимается комплексное применение различных методов теплового проектирования, направленных на получения конструкций РЭС с заданными или оптимальными тепловыми

54

характеристиками путем совместного решения задач анализа, обеспечения и оптимизации тепловых процессов, конструктивных параметров и режимов функционирования РЭС.

Основным содержанием процедур конструктивнотеплового синтеза является решение вопросов обеспечения и оптимизации тепловых режимов, направленных на получение вариантов конструкций, наилучших с точки зрения тепловых критериев. При этом соответствующие задачи решаются путем анализа температурных воздействий, моделирования температурных полей, оптимизации процессов теплопередачи

иконструктивных параметров на различных этапах схемотехнического и конструкторского проектирования РЭС.

Выполнение рассмотренных рекомендаций требует наличия в составе комплекса ТП проектных процедур анализа

исинтеза. Предлагаемые структура и взаимодействие проектных процедур на каждом этапе теплового проектирования представлены на рис. 5.4.

Процедуры анализа температурных полей являются основой построения подсистемы ТП, они позволяют проводить верификацию проектных решений, прогнозировать надежность, а также используются для решения задачи обеспечения и оптимизации теплового режима. Процедуры конструктивно-теплового синтеза предназначены для решения задач обеспечения и оптимизации ТР, т.е. получения вариантов конструкций, наиболее рациональных или наилучших по тепловым критериям, путем выбора и изменения конструктивных и теплофизических параметров конструкций (габаритов, компоновки, применяемых материалов, типа корпусов, способа монтажа компонентов, вида охлаждения и параметров теплоотводящих устройств, топологии и т. д.), обеспечивающих заданные или оптимальные тепловые характеристики отдельных узлов, устройств и комплексов РЭС в целом. Для организации такого

55

процесса необходимо осуществить взаимодействие средств моделирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик и средств конструкторского проектирования в рамках интегрированной САПР РЭС.

Общий перечень задач, решаемых с помощью методов и процедур конструктивно-теплового синтеза в процессе теплового проектирования РЭС на различных этапах разработки конструкций, включает следующие:

оценка возможности реализации создаваемых РЭС в выбранных по требованиям ТЗ (массовые и габаритные показатели) типам конструкций (стойка, блок, узел и т.д.) с точки зрения обеспечения тепловых характеристик;

формирование тепловой модели конструкции проектируемого устройства или комплекса РЭС на базе набора унифицированных тепловых моделей;

оценка теплового режима РЭС на начальных этапах проектирования по упрощенным методам и ММ (модели с сосредоточенными параметрами, одномерные модели, средние значения характеристик, вероятностные методы);

выбор рационального (по соотношению эффективность/затраты) способа охлаждения и типа, структуры и состава СО устройств и комплексов РЭС, обеспечивающих заданные требования к ТР (тип теплоносителя, естественный или принудительный способ его движения, способы интенсификации теплопередачи, наличие специальных устройств теплоотвода и т. д.);

параметрический синтез системы охлаждения (определение расхода и режимов движения теплоносителя, производительности вентиляторов, интенсивностей отдельных потоков теплопередачи и т. д.);

56

выбор типов теплоотводящих устройств (радиаторы, шины, тепловые трубы и т. д.) и их параметрический синтез - определение и оптимизация их конструктивных параметров;

формирование тепловых критериев оптимальности с учетом функционального назначения и конструктивных особенностей конкретного устройств и выбор задач обеспечения и оптимизации, решаемых на каждом этапе разработки, из набора типовых или новая постановка таких задач;

оптимизация характеристик и параметров конструкций устройств и комплексов по тепловым критериям;

оптимизация конструктивных параметров и топологии узлов на печатных платах по тепловым критериям;

детальное моделирование и анализ температурных полей на различных уровнях конструктивной иерархии проектируемых РЭС.

В рамках рассматриваемого подхода, основанного на методах конструктивно-теплового синтеза, из всех этих задач выделим те, которые решаются при выполнении процедур структурного и параметрического синтеза систем охлаждения и обеспечения тепловых режимов, комплекса и отдельных устройств теплоотвода, конструкций различного уровня иерархии с учетом тепловых ограничений и критерийев. На основании проведенного выше анализа предлагается следующий состав задач конструктивно-теплового синтеза РЭС:

-определение требуемых параметров и характеристик системы охлаждения и теплоотвода РЭС, обеспечивающих заданный (нормальный) тепловой режим;

-оценка возможностей реализации и конкретных радиоэлектронных устройств в выбранных по габаритномассовым показателям типам конструкции;

58

-выбор рационального типа, структуры и схемы построения системы охлаждения и обеспечения заданного теплового режима РЭС;

-параметрический синтез и оптимизация характеристик выбранного типа системы теплоотвода РЭС;

-выбор типов и состава комплекса и параметрический синтез теплоотводящих устройств, обеспечивающий заданные характеристики системы охлаждения;

-оптимальное решение задач компоновки и размещения на различных уровнях конструктивной иерархии РЭС с применением тепловых критериев;

-моделирование и оценка теплового режима различных типов конструкций РЭС и определение по результатам анализа требований к параметрам и характеристикам теплообмена системы охлаждения в целом и локальным теплоотводящим устройствам.

Решение таких задач приводит к формированию следующей структуры процесса теплового проектирования, включающего в свой состав процедуры конструктивно - теплового синтеза, которая показана на рис.5.5.

Предложенный подход к организации части процесса ТП РЭС, связанный с решением задач обеспечения и оптимизации ТР, охватывает все необходимые этапы разработки и иерархические уровни конструкции и позволяет интегрировать тепловое проектирование в общую структуру «проектированиепроизводство» в соответствии с современными технологиями информационной поддержки жизненного цикла изделий (CALS-технологии).

59

5.2.Методы и средства теплового проектирования

всовременных САПР РЭС

В настоящее время разработано и применяется значительное число способов, методик и алгоритмов решения основных задач ТП РЭС (моделирования и обеспечения ТР), реализованных с использованием различных аналитических и численных вычислительных методов. Во многих работах

моделирования, реализованные в различных программных средствах.

Для комплекса задач моделирования и анализа, входящих в состав процесса конструктивно-теплового синтеза и сформулированных в п. 5.1, целесообразно при выборе и формировании соответствующих тепловых и математических моделей использовать основные положения метода поэтапного моделирования. Этот подход предполагает последовательное применение различных тепловых и математических моделей, сложность и точность которых, а также детальность требуемых исходных данных, соотносятся с этапом проектирования и уровнем иерархии конструкции и возрастает к завершению проектных работ.

Соответственно применяемые модели меняются от моделей с сосредоточенными параметрами к моделям с распределенными параметрами (одно-, двух- и трехмерными), подобным же образом изменяется постановка задач моделирования и детальность результатов (средние значения температуртемпературное поле). Как показывает анализ, для решения рассмотренных выше задач в необходимый набор тепловых моделей целесообразно включить: «ядро-зазор- оболочка», что соответствует представлению конструкции РЭС в виде «нагретая зона-воздух-корпус»; канонические тела (параллелепипед, пластина, цилиндр, стержень и др.) с

60