- •А.В. Муратов, а.В. Башкиров
- •Учебное пособие
- •Воронежский государственный технический университет а.В. Муратов, а.В. Башкиров
- •Введение
- •1 Классификация источников вторичного электропитания…………………………………………………………………
- •3 Связь миниатюризации с обеспечением тепловых режимов источников электропитания………………………………..
- •Приложение…………………………………………………………………….. Список литературы……………………………………………………………..
- •3.2. Конструкторско-технологические проблемы миниатюризации ивэп
- •3.3 Предельные возможности и ограничения миниатюризации источников вторичного электропитания
- •3.3.1 Ограничения значения кпд
- •3.3.2 Оценка предельных возможностей миниатюризации ивэп
- •4. Особенности обеспечения теплового режима различных конструкций и типов источников вторичного электропитания
- •4.1. Особенности обеспечения теплового режима импульсных источников питания
- •4.2. Особенности обеспечения теплового режима микроэлектронных источников вторичного электропитания
- •4.3 Особенности обеспечения теплового режима источников вторичного электропитания персональных эвм
- •4.4 Особенности обеспечения теплового режима высоковольтных источников вторичного электропитания
- •5. Обеспечение заданного теплового режима модулей источников вторичного электропитания
- •5.1. Ориентировочный выбор способа охлаждения на ранней стадии проектирования
- •5.2. Расчет теплового режима блока источника электропитания при естественном конвективном теплообмене
- •Степень черноты различных поверхностей
- •Т (46)еплофизические параметры сухого воздуха
- •5.3. Этапы проведения расчета теплового режима ивэп, в различном конструктивном исполнении, при естественном конвективном теплообмене
- •5.4. Методика проведения расчета стационарного блока при принудительном охлаждении
- •5.5. Методика проведения расчета радиаторов
- •6. Выбор элементов, для которых необходим подробный тепловой расчет
- •7. Методы оценки тепловых режимов ивэп
- •Учебное издание
- •Обеспечение тепловых режимов вторичных источников питания радиоэлектронных средств
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
5.2. Расчет теплового режима блока источника электропитания при естественном конвективном теплообмене
При данном виде теплообмена, тепловой режим ИВЭП зависит от многих факторов[9]. Связь между перегревом нагретой зоны и влияющими факторами представляют в следующем виде:
г
(17) (18)
гдеКqз– коэффициент, зависящий от удельной мощности нагретой зоны;КΠ– коэффициент, зависящий от коэффициента перфорации.
У
(19)
г
(20)
Здесь l1l2– горизонтальные размеры корпуса источника вторичного электропитания;l3– вертикальный размер корпуса ИВЭП;К3– коэффициент заполнения.
К
(21)
Следует отметить, что перегрев нагретой зоны не линейно возрастает с ростом удельной мощности зоны и уменьшается с ростом коэффициента перфорации, асимптотически приближаясь к некоторой постоянной величине[9]. Эти данные были получены экспериментально, при этом исследовались тепловые режимы радиоэлектронных средств разнообразных конструкций: на шасси, кассетного типа и смешанного типа. Тепловой режим определялся при нормальном и повышенном атмосферном давлении и применении, для интенсификации теплообмена, наружного обдува корпуса, либо внутреннего перемешивания воздуха. Большинство современных источников вторичного питания имеет блоки кассетной, разъемной или книжной конструкции с плотной компоновкой.
И
(22)
ивычислить их по формулам
Рис. 7
На рис. 7 и 8 представлены: зависимость перегрева нагретой зоны от удельной мощности рассеивания (рис. 7); зависимость КПот коэффициента перфорации.
Перегрев корпуса герметичного блока вторичного электропитания зависит от удельной мощности корпуса источника питания qК, которую можно определить по формуле:
(26)
г
(27)
Рис. 8
С
(28)
При расчете и анализе теплового режима ИВЭП также необходимо учитывать влияние наличия наружного обдува и изменения во времени атмосферного давления, на величину перегрева корпуса (относительно температуры окружающей среды). На величину перегрева нагретой зоны относительно температуры корпуса блока питания (θ2–θ1) оказывает влияние наличие внутреннего перемешивания и изменение атмосферного давления внутри корпуса.
В общем случае перегрев нагретой зоны, определяется по формуле:
(29)
гдеKH1– коэффициент, зависящий от величины атмосферного давления снаружи корпуса аппаратаH1;Kυ– коэффициент, зависящий от скорости наружного обдува корпуса аппаратаυ;KH2– коэффициент, зависящий от величины атмосферного давления внутри корпуса аппаратаH2;KW– коэффициент, зависящий от скорости перемешивания воздуха в аппаратеW:
где GB– производительность вентилятора;VB– объем воздуха в аппарате;а = 0,6 м4/кг.
(30)
Учитывая, что с ростом давления среды внутри и вне корпуса аппарата, скоростей наружного обдува и внутреннего перемешивания перегрев нагретой зоны уменьшается, коэффициентыKH1,Kυ,KH2иKWопределялись в виде (25). С использованием экспериментальных данных уравнения для расчета коэффициентовKH1,Kυ,KH2иKWприобрели следующий вид:
Их графики представлены на рис. 9 – 12. Данные коэффициенты были получены при изменении исходных данных в следующем диапазоне: 0≤q3≤600 ВТ/М²; 0≤П≤0,8, 0≤qк≤400 ВТ/М², 700≤H≤1,2·10 Па, 0≤υ≤0,3, 0≤W≤4,0.
Для определения зависимости величены перегрева суммарной поверхности элемента, относительно температуры окружающей среды, необходимо придерживаться определённого алгоритма рассуждений: тепловой поток, рассеиваемый элементом, поступает в нагретую зону и в окружающую среду:
г
(35)
Рис. 9
Рис. 10
На рис. 9 показана зависимость КН1от давления окружающей среды:а) 0≤q3≤2,6·10³ Па;б) 0≤Н1≤2,6·10³ Па, а на рис. 6 показаны зависимостьКН2от давленияа) 0≤Н2≤12,8·10³ Па;б) 0≤Н≤130·10³ Па.
Из формулы (35) следует, что
так как
г
(36)
то есть перегрев поверхности элемента можно представить в следующем виде
П
(37) (38)
Формула (37) не учитывает особенностей монтажа элементов.
Приведенные выше зависимости позволяют определить среднеповерхностную температуру нагретой зоны и температуры поверхности элементов источника вторичного электропитания при естественном воздушном охлаждении.
На рис. 11 приведена зависимость Кvот скорости обдува, а на рис. 12 зависимостьKwот скорости перемешивания.
Рис. 12
Приведенный выше алгоритм расчета, инженер проектировщик вправе применять не только для расчета и обеспечения теплового режима источников вторичного электропитания работающих при естественном воздушном охлаждении, но и для любого радиоэлектронного средства. Для удобства проведения расчета приведем алгоритм поэтапного расчета теплового режима блока вторичного электропитания, при естественном воздушном (конвективном) теплообмене [1,9]:
Вначале проведения расчета необходимо заменить конструкцию блока ИВЭП ее физической моделью. В этой модели нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру tнзи рассеиваемую тепловую мощностьРиз.
З
(39)
гдеδш– толщина шасси;h31иh32– части высоты нагретой зоны, расположенные со стороны шасси в первом и втором отсеках, на которые шасси делит блок ИВЭП.
Размерыh31иh32определяют по формуле
г
(40)
На обеспечение теплового режима блока вторичного электропитания большое влияние оказывает тип его конструкции. Подавляющее большинство ИВЭП имеет блоки кассетной, разъемной или книжной конструкции с плотной компоновкой. По характеру теплообмена различают три группы конструкций, в зависимости от ориентации модулей первого уровня разукрупнения и величины воздушных зазоров между ними. Отличительные особенности этих групп приведены в табл. 4.
Таблица 4
Классификация конструкций в зависимости от характера теплообмена
Группа конструкций |
Виды теплообмена между модулями первого уровня |
Виды теплообмена между нагретой зоной и корпусом |
I |
Излучение, теплопроводность |
Конвекция, излучение, теплопроводность |
II |
Конвекция, излучение, теплопроводность |
Излучение, конвекция, теплопроводность |
III |
Излучение, теплопроводность |
Излучение, теплопроводность |
Расчет теплового режима источника вторичного электропитания можно условно разделить на три этапа:
определение температуры корпуса tк;
определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны tнз;
определение температуры поверхности компонента схемы.
Для проведения расчета необходимы следующие исходные данные: размеры корпуса – ширина L1, глубинаL2, высотаL3; размеры нагретой зоныL1x L2x L3; величины воздушных зазоров между нагретой зоной и нижней поверхностью корпусаhн, нагретой зоной и верхней поверхностью корпусаhв; площадь перфорационных отверстийSп; мощностьРо, рассеиваемая блоком; мощностьРккомпонентов, расположенных непосредственно на корпусе; базовая температураto, то есть температура окружающей среды; теплофизические параметры воздуха и материалов конструкции блока.
Этап 1. На первом этапе определяют температуру корпуса блока.
Р
(41)
ассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блокаqk:
ГдеSkопределяется по формуле (27) – площадь внешней поверхности корпуса блока.
Рис. 13
2. По графику на рис. 13 задаемся перегревом θkкорпуса блока в первом приближении. На рис. 13 показана зависимость перегрева корпуса блока от удельной поверхностной мощности.
3.Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней αлв, боковой αлби нижней поверхностей корпуса:
где εi– степень чернотыi-й наружной поверхности корпуса; определяется в зависимости от материала из табл. 5.
4
(43)
г
(44)
Индекс mозначает, что все параметры соответствуют определяющей температуреtm.
5. Определяем число Прантдля Prиз табл. 6 для определяющей температурыtm.
6. Находим режим движения газа или жидкости, обтекающих каждую поверхность корпуса:
(Gr·Pr)m≤ 5 · 10² - режим переходный к ламинарному;
5 · 10² < (Gr·Pr)m ≤ 5 · 107– ламинарный режим;
(Gr·Pr)m> 2 · 107– турбулентный режим.
7. Рассчитываем коэффициенты αкiтеплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока:
для переходного режима
Таблица 5