Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

tij =t Пj + Pij/σBH ij

m

tПj = tK + åPij(1/σ Пj +1/σ КЛJ )

i=1

n

tK = tC + åPj /(σ КК + σ КЛ )

j=1

где P ij — тепловой поток элемента; Рj• — суммарный тепловой поток,

выделяемый элементами j-й микросборки; m — число элементов на подложке j-и микросборки; n — число микросборок.

Значения внутренних тепловых проводимостей для бескорпусных интегральных микросхем и транзисторов берут из технических условий на элементы или определяют по тепловой схеме рис. 5.44, б. Исходя из способа установки кристалла на подложке (рис. 5.44, а) тепло от активной области кристалла стекает на подложку 3 через кристалл 1 (σ кр), слой клея 2 (σКЛ) и выводы 4 (σ выв).

Рис. 5.44. К определению внутренней тепловой проводимости активного бескорпусного элемента : а — вариант установки на подложке; б — тепловая схема

При известных геометрических размерах элементов и коэффициентах теплопроводности материалов определение проводимостей кондуктивной теплопередачи не вызывает затруднений.

5.6. Тепловое моделирование конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением

Принудительное воздушное охлаждение находит широкое применение в конструкциях РЭС. Это объясняется следующими причинами: удельная тепловая нагрузка конструкций имеет тенденцию роста при установившихся показателях теплоустойчивости элементной базы; наличие доступного и дешевого теплоносителя; относительная простота

233

конструкций нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с тем системам принудительного воздушного охлаждения свойственны и существенные недостатки, такие как наличие акустических шумов и вибрации, увеличение объема и массы конструкций РЭС, снижение надеж-

из кожуха конструкции.

Вприточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают на входе

ивыходе воздуха (рис. 5.45, в).

Названные системы обладают определенными достоинствами и недостатками. Так, например, достоинством приточной системы является повышенное давление воздуха на входе, что способствует повышению эффективности теплообмена. В то же время поступающий в систему воздух имеет повышенную температуру в результате подогрева частью мощности, потребляемой электродвигателем вентилятора. В вытяжной системе воздух' на входе имеет давление несколько ниже нормального и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Кроме того, в данной системе электродвигатель вентилятора находится в потоке горячего воздуха. Приточная и вытяжная системы имеют общий недостаток: они не препятствуют утечкам воздуха. Этого недостатка лишена приточновытяжная система охлаждения, позволяющая в несколько раз снизить утечки. Кажущаяся сложность приточно-вытяжной системы компенсируется лучшими экономическими показателями.

Подход к построению тепловой модели РЭС с принудительным воздушным охлаждением опирается на рассмотренные в разд. 5.2 общие принципы. Однако сложность модели существенно зависит от структуры нагретой зоны конструкции, принятых допущений и взаимодействия потока охлаждающего воздуха с тепловыделяющими элементами.

234

Обратимся к конструкции блока РЭС с принудительным воздушным охлаждением, схематично изображенного на рис. 5.46, а. Поток охлаждающего воздуха протекает между поверхностью нагретой зоны 2 и кожухом 1 и осуществляет внешний обдув нагретой зоны. Температура воздуха на входе системы охлаждения t вх, на выходе — tвых. Поверхности нагретой зоны и кожуха считаются изотермическими и имеют среднеповерхностные температуры t3 и t K . Предполагается, что воздушный поток прозрачен для излучения.

Рис. 5.46. Тепловая модель блока РЭС с принудительным воздушным охлаждением:

а — упрощенное изображение конструкции; б — тепловая схема

Теплообмен в блоке происходит следующим образом. Тепловой поток Р, выделяемый элементами нагретой зоны, разделяется на две составляющие, одна из которых (Р1) конвекцией передается воздушному

потоку, вторая составляющая (Р2) — излучением на кожух блока. С кожуха часть тепла Р 3 рассеивается в окружающей среде (конвекция и излучение), другая часть Р 4 уносится воздушным потоком (конвективная теплопередача).

Тепловая схема процесса теплообмена блока приведена на рис. 5.46, б. На схеме приняты следующие обозначения: σ3 к — тепловая проводимость между нагретой зоной и кожухом блока; σк с — тепловая проводимость кожух—окружающая среда; σзв, σкв— тепловые проводимости от

нагретой зоны и кожуха к воздушному потоку.

По тепловой схеме составляются алгебраические уравнения, связывающие показатели теплового режима:

P=σз.в(tз-tв)+σз.к(tз-tк);

(5.50)

σз.к(tз-tк)=σкc(tk-tc)+σз.в(tк-tв)

235

где t B = 0,5 (t BX+t вых) — среднее значение температуры охлаждающего

воздуха.

Третье уравнение, необходимое для получения решения, записывается в предположении, что все тепло, кроме рассеиваемого в окружающем пространстве, расходуется на повышение теплосодержания воздушного потока:

P=σк.с(tк-tс) +w(tвых-tвх). (5.51)

где w = GvρСp — условная тепловая проводимость воздушного потока (G v

— объемный расход воздуха в системе охлаждения; ρ , С р-плотность и удельная теплоемкость воздуха при температуре t B).

Неизвестными в уравнениях (5.49)—(5.51) являются среднеповерхностные температуры корпуса t к и нагретой зоны t3 , а также температура воздуха на выходе системы охлаждения t вых. Совместное решение уравнений дает возможность выразить эти температуры, если бы от них не зависели тепловые проводимости. Поэтому задача может быть решена методом последовательных приближений или тепловой характеристики. Конвективные коэффициенты теплопередачи от нагретой зоны и внутренней поверхности кожуха находят, используя модели продольного или поперечного обтекания тел воздушным потоком, конвективный коэффициент теплопередачи от кожуха в окружающее пространртво — для случая естественной конвекции в неограниченном пространстве.

Наличие в нагретой зоне блока каналов для протекания воздуха изменяет подход к построению тепловой модели и усложняет саму модель. Чтобы убедиться в сказанном, обратимся к блоку кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением. Схематическое изображение конструкции приведено на рис. 5.47, а. Охлаждающий воздух поступает через воздухораспределитель 3 в межплатные зазоры, поглощает рассеиваемое платами 2 тепло и выходит за пределы кожуха блока 1.

Особенностью процесса теплообмена в блоках этого типа является неравномерность температурного поля как в направлении движения воздуха, так и в поперечном сечении блока. Тем не менее предполагается, что каждая плата представляет собой нагретую зону с изотермической поверхностью. Воздух, проходящий через блок, прозрачен для теплового излучения, коэффициенты конвективного теплообмена поверхностей нагретой зоны и кожуха внутри блока одинаковы.

Оценка стационарного теплового режима блока кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением является тепло-

236

Рис. 5.47. Тепловая модель блока кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением: а — упрощенное изображение конструкции;

б — фрагмент тепловой схемы

физической задачей расчета конвективного теплообмена в плоском канале, образованном поверхностью платы и поверхностью нагретой зоны со стороны тепловыделяющих элементов. При этом ширина канала δ к =b - h з , где b — шаг установки функциональных ячеек в блоке,h 3 — высота нагретой зоны.

Исследование принудительного конвективного теплообмена в каналах, образованных платами с установленными на них радиоэлементами (каналы с незначительной шероховатостью), привело к следующим критериальным зависимостям [20]:

Nu = 0,029Rе0.8(dэ/lп)0.054 при Re>2200,

где dЭ = 2(b — h3) = 2δК — эквивалентный гидравлический диаметр;l п — длина платы в направлении движения охлаждающего воздуха.

Теплофизические параметры воздуха в критериальных уравнениях определяются при температуре t BX.

Фрагмент тепловой схемы блока для трех функциональных ячеек приведен на рис. 5.47, б. Каждая из трех ячеек отдает тепло воздушному потоку (тепловая проводимость σ з в ), кожуху (σзк ), часть тепла с кожуха уносится воздушным потоком (σ кв), оставшаяся часть рассеи-

237

вается в окружающем пространстве (σ к с). Кроме того, осуществляется

взаимный теплообмен между функциональными ячейками через тепловые проводимости σ б.

Тепловая проводимость σзв=αзвS3 . Конвективный коэффициент теплопередачи α3в находят с помощью критериальных уравнений (5.52). Проводимость σ3к характеризует теплопередачу излучением с торцевых поверхностей нагретых зон на кожух: σ3к=αзлSзл , где α3л — коэффициент теплопередачи излучением, S3л — площадь торцевой поверхности нагретой зоны. Тепловая проводимость конвективной теплопередачи кожуха воздушному потоку σKB=αKBSk, где α к в ≈ α3 в. Проводимость σ кс характеризует теплопередачу наружной

поверхности кожуха окружающей среде конвекцией и излучением. Тепловую проводимость взаимного теплообмена а б находят в результате представления пакета функциональных ячеек однородным анизотропным телом.

5.7. Тепловое моделирование конструкций РЭС с принудительным жидкостным охлаждением

Принудительное жидкостное охлаждение применяется в теплонаг-

этот способ получил при охлаждении больших элементов, представляющих собой локализованные источники тепла. Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через специальные каналы, выполненные в платах или кожухе аппаратуры.

Одной из важных задач проектирования системы принудительного жидкостного охлаждения является выбор теплоносителя, который должен отвечать следующим требованиям:

при выбранном режиме движения не должно происходить закипания теплоносителя на охлаждаемых поверхностях;

теплоноситель в системе охлаждения должен быть пожаробезопасным; если охлаждаемые поверхности, контактирующие с теплоносителем,

находятся под электрическим потенциалом, то теплоноситель должен обладать высокими электроизоляционными свойствами;

физические свойства теплоносителя не должны изменяться в диахшоне ргбочта. темщшуо охлаждаемого объекта.

238

Вкачестве теплоносителей обычно применяются вода, водоспиртовые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические жидкости. В системах принудительного жидкостного охлаждения возможны все три режима движения теплоносителя: ламинарный, переходный и турбулентный.

Вблоках РЭС принудительное жидкостное охлаждение применяется для отвода тепла от кожухов или нагретых зон. При охлаждении ко-

жухов трубопровод прокладывается по наружной или (чаще) по внутренней поверхности кожуха. Конструкция системы принудительного жидкостного охлаждения нагретой зоны блоков зависит от ее структуры. Так, в блоках с шасси трубопровод с теплоносителем прокладывается по верхней или нижней поверхности шасси между элементами и связан с шасси сваркой или пайкой. В блоках с интенсивным тепловыделением часто используются теплообменники «воздух — жидкость», через которые нагретый воздух продувается малогабаритными вентиляторами. Значительная часть тепловой энергии, рассеиваемой нагретой зоной, уносится жидким теплоносителем из теплообменников. Блоки кассетного типа с принудительным жидкостным охлаждением конструктивно аналогичны блокам с воздушным охлаждением. Отличаются они более массивным герметичным кожухом и наличием межплатных каналов для прокачки охлаждающей жидкости. Из входного патрубка теплоноситель через жидкостный распределитель попадает в межплатные каналы. Отбирая из нагретой зоны блока тепло, теплоноситель выходит через другой патрубок, который может располагаться как со стороны входного патрубка, так и с противоположной стороны.

Упрощенное представление конструкции с системой принудительного жидкостного охлаждения дано на рис. 5.48, а. Трубопровод с теплоносителем 2 припаян к теплостоку в нагретой зоне 3, температура жидкости на входе системы tex, на выходе — t вых. Тепло, выделяемое

Рис. 5.48. Тепловая модель блока с принудительным жидкостным охлаждением:

а — схематическое изображение конструкции; б — тепловая схема

239

в нагретой зоне, через стенку трубопровода передается охлаждающей жидкости (конвективная теплопередача), конвекцией и излучением — на кожух 1 и с наружной поверхности кожуха — окружающей блок среде. Поверхности кожуха, нагретой зоны с трубопроводом считаются изотермическими, тепловое сопротивление между теплостоком и трубопроводом мало. Не учитывается из-за малой величины и тепловое сопротивление стенки трубопровода.

Тепловая схема блока приведена на рис. 5.48, б. По схеме составляется система уравнений, связывающих обозначенные переменные:

Р=Р1+Р2;

P2 = σз.к(tз-tk) =σк.с(tк-tс)

где σ3ж— тепловая проводимость конвективной теплопередачи от нагретой зоны к жидкости; σ 3 к— тепловая проводимость теплопередачи конвекцией и излучением через воздушную прослойку от нагретой зоны к кожуху; σкс — тепловая проводимость, характеризующая теплообмен кожуха с окружающей средой; t3, t к — среднеповерхностные температуры нагретой зоны и кожуха; tж = 0,5(t BX+t вых) — средняя температура охлаждающей жидкости.

Дополнительное уравнение получают исходя из условия, что все тепло, кроме рассеиваемого в окружающей среде, расходуется на повышение теплосодержания охлаждающей жидкости:

где w Ж = G Vρ Сp — условная тепловая проводимость жидкости. Плотность ρ и удельная теплоемкость СP жидкости берут для сред-

ней температуры t ж.

Тепловая проводимость σ3ж=αзжSтр ,где αзж— конвективный коэффициент теплопередачи от стенки трубопровода к жидкости; SТР

—площадь внутренней поверхности трубопровода.

Определение α 3ж производится для условий принудительного кон-

вективного теплообмена в трубах.

Тепловые проводимости σ3 к и σкс характеризуют теплообмен с окружающей средой при естественной воздушной конвекции.

240

Для определения неизвестных среднеповерхностных температур нагретой зоны t3, кожуха t K и температуры жидкости на выходе системы

охлаждения tвых можно воспользоваться методами последовательных приближений или тепловой характеристики.

5.8. Тепловые трубы

Тепловая труба (ТТ) — испарительно-конденсационное герметичное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи тепла и работающее по замкнутому ,циклу. Конструктивно представляет собой герметичный объем, ограниченный корпусом трубы 1 (рис. 5.49), внутренняя поверхность которого выложена капиллярно-по- ристой структурой, насыщенной смачивающей жидкостью.

Капиллярно-пористая структура может быть реализована в виде металлической сетки,спеченных гранулированных материалов ,металловолокна, стеклоткани и системы канавок на внутренней стенке корпуса. Смачивающая

жидкость является теплоносителем, Рис. 5.49. Конструкция тепловой трубы

ив зависимости от уровня

температуры в зоне источника тепла в качестве теплоносителя выбираются жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и др. При температурах свыше 750 К используются жидкие металлы, для диапазона температур 550 К ≤Т ≤ 750 К — ртуть (высокотемпературные ТТ). В области средних температур (200 К< Т<550 К) в качестве теплоносителя применяются органические жидкости, вода (низкотемпературные ТТ), при температурах ниже 200 К теплоносителем служат сжиженные газы (криогенные ТТ).

Тепловая труба делится на три зоны: испарительную а, транспортную б и конденсационную в. При подводе тепла к испарительной зоне теплоноситель в этой части капиллярно-пористой структуры начинает испаряться. Пары теплоносителя, пройдя транспортную зону, поступают в конденсационную зону, где в результате конденсации паров выделяется тепло, а жидкость под действием капиллярных и гравитационных сил возвращается в зону испарения.

Таким образом, ТТ является элементом системы охлаждения, способным транспортировать тепло из одной части конструкции в другую

241

при минимальной разности температур между источником тепла и теплостоком. Другими словами, ТТ аналогична стержню, передающему тепло кондукцией, изготовленному из материалов с коэффициентом теплопроводности λ=104Вт/(м•К). Высокая эффективность ТТ обеспечивается при условии, что в конденсационной зоне осуществляется отбор тепла, выделяемого при конденсации, с помощью теплообменника, а тепловые сопротивления между источником тепла и трубой в зоне испарения, а также между трубой и теплообменником в конденсационной зоне малы.

Тепловые трубы могут быть круглые, плоские, гибкие, Y-образные, змеевидные и др. (рис. 5.50). В конструкциях РЭС тепловые трубы выполняют следующие функции: снижение теплового сопротивления между источником и стоком тепла; отвода тепла из труднодоступных зон конструкций с высокой плотностью тепловых потоков; выравнива-

Рис. 5.50, Разновидности конструкции тепловых труб:

а — цилиндрическая; б — плоская; в — гибкая; г — змеевидная; д — Y- образная

ние тепловых потоков в пределах конструкции РЭС; сбор тепла от многих источников, расположенных в различных зонах конструкции, к единому стоку тепла, где созданы оптимальные условия теплообмена, и ДР.

Рис. 5.51. Охлаждение теплонагруженногоэлемента спомощьютепловой трубы: 1 — охлаждаемый элемент;

2 — радиатор; 3 — тепловая труба

242