143

7. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РЭС

7.1. Тепловые модели блоков

Модуль РЭА второго уровня и выше, например блок, представ­ляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источ­ников теплоты. Точное аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточ­ности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при рас­чете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета.

Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необ­ходимых для оценки надежности. Рекомендуется проводить рас­чет для наиболее критичного элемента, т. е. элемента, допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образую­щих нагретую зону.

Рис. 7.1. Тепловые модели блоков РЭА в виде параллелепипедов с горизонталь­но (а) и вертикально (б) ориентированными шасси и в виде цилиндра (в)

Расчет стационарного теплового режима блока при естествен­ном конвективном теплообмене. Конструкция РЭА заменяется ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представ­ляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_н.з и рассеиваемую тепловую мощность Р_н.з. На рис. 7.1 представлены тепловые модели блоков РЭА. За размеры нагретой зоны принимаются размеры шасси l₁ и l₂ и высота l₃, ко­торая определяется по формуле l₃ = d_ш + h_з1 + h_з2, где d_ш — толщина шасси; h_з1 и h_з2 — части высоты нагретой зоны, расположенные со стороны шасси в 1-м и 2-м отсеках, на которые шасси делит блок РЭА. Размеры h_з1 и h_з2 определяются по фор­муле

где j=1, 2 — номер отсека блока; Vi — объем i-й детали в j - м от­секе; n_j — число деталей в j-м отсеке.

Большая часть РЭА имеет блоки разъемной, кассетной или книжной конструкции с плотной компоновкой. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня и величины воздушных зазоров между ними различают три группы конструкций по характеру теп­лообмена в них . Отличительные особенности этих групп при­ведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Классификация конструкций в зависимости от характера теплообмена

Группа конструк-ции	Виды теплообмена между модулями 1-го уровня	Виды теплообмена между нагретой зоной и корпусом
I	Излучение, теплопроводность	Конвекция, излучение, теплопроводность
II	Конвекция, излучение, теплопро­	Излучение, конвекция, теплопроводность
	водность
III	Излучение, теплопроводность	Излучение, теплопроводность

Выбор той или иной группы осуществляется эмпирически исходя из опыта разработок и здравого смысла. Наи­более общим случаем является вторая группа конструкций.

Тепловая модель блока РЭА плотной компоновки приведена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Тепловая модель блока РЭА Рис. 7.3. Зависимость перегрева корпуса

плотнои компоновки: 1— корпус; 2 —нагретая зона; блока от удельной поверхностной мощности

3 — модуль 1-го уровня; 4 — радиоэлемент

(микросборка, микросхема, ЭРЭ)

7.2. Методики расчета теплового режима РЭС

Расчет теплового режима блока можно условно разделить на три этапа:

1) определение температуры корпуса t_k, ;

2) определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з;

3) определение температуры поверхности радиоэлемента (микросхемы, ЭРЭ).

Для выполнения первых двух этапов расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные:

- размеры корпуса— ширина L₁, глубина L₂, высота L₃ ;

- размеры нагретой зоны l₁ x l₂ x l₃ ;

- величины воздушных зазоров между нагретой зоной и нижней поверхностями корпуса h _н , нагретой зоной и верхней поверх­ностью корпуса h _в ;

- площадь перфорационных отверстий S_п ;

- мощ­ность, рассеиваемая блоком Р₀;

- мощность радио­элементов, расположенных непосредственно на корпусе Р_к;

- базо­вая температура to, т. е. температура окружающей среды;

- теплофизические параметры воздуха и материалов конструкции блока.

Этап 1. Определение температуры корпуса.

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q _к:

, (7.1)

где — площадь внешней поверхности корпуса блока, .

2. По графику на рис. 7.3 задаемся перегревом корпуса блока в первом приближении .

3. Определяем коэффициент лучеиспускания для i-й поверхностей корпуса: верхней - a_л.в, боковой - a_л.б и нижней - a_л.н

(7.2)

где — степень черноты i-й наружной поверхности корпуса; опре­деляется в зависимости от материала из табл. 7.2.

Таблица 7.2. Степень черноты различных поверхностей

Материал	e	Материал	e	Материал	e
Алюминий полированный	0,05	Краски эмалевые	0,92	Серебро полированное	0,05
Алюминий окисленный	0,25	Лак	0,88	Сталь никелированная	0,11
Алюминий грубополированный	0,18	Латунь полированная	0,03	Сталь окисленная	0,80
Алюминиевая фольга	0,09	Латунь прокатная	0,20	Стальное литье	0,54
Асбестовый картон	0,96	Медь полированная	0,02	Саиса	0,96
Бронза полированная	0,16	Медь окисленная	0,65	Стекло	0,92
Бумага	0,92	Муар	0,90	Силумин	0,25
Вольфрам	0,05	Масляные краски	0,92	Титан	0,63
Графит	0,75	Никель полированный	0,08	Фарфор	0,92
Дюралюминий (Д16)	0,39	Олово луженое	0,08	Хром полированный	0,10
Железо полированное	0,26	Платина	0,10	Цинк	0,25
Золото	0,10	Резина твердая	0,95	Щеллак черный матовый	0,91
Ковар	0,82	Резина мягкая	0,86

4. Для определяющей температуры рассчитыва­ем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

(7.3)

где Lonp.i—определяющий размер i-й поверхности корпуса; — коэффициент объемного расширения, для газов ; g—ускорение свободного падения, g = 9,8 м^.с^-2; — кинетиче­ская вязкость газа, для воздуха определяется из табл. 7.3. Индекс m означает, что все параметры соответствуют определяющей тем­пературе t_m .

Таблица 7.3. Теплофизические параметры сухого воздуха при давлении 101,3^.10³ Па

tm,0C	lm.102 , Вт/м.К	nm. 106, м2/c	Pr	r, кг/м3	tm,0C	lm.102 , Вт/м.К	nm. 106, м2/c	Pr	r, кг/м3
- 50	2,04	9,23	0,728	1,584	50	2,83	17,95	0,698	1.093
-20	2,28	12,79	0,716	1,390	60	2,90	18,97	0,696	1,090
0	2,44	13,28	0,707	1,295	70	2,97	20,03	0,694	1,029
10	2,51	14,16	0,705	1,247	80	3,05	21,09	0,692	1,000
20	2,6	15,06	0,703	1,205	90	3,13	22,10	0,690	0,972
30	2,68	16,00	0,701	1,165	100	3,21	23,13	0,688	0,946
40	2,76	16,96	0,699	1.128	120	3,34	25,45	0,686	0.898

5. Определяем число Прандтля Рr из табл. 7.3 для определяю­щей температуры tm .

6. Находим режим движения газа или жидкости, обтекающих каждую поверхность корпуса:

— режим переходный к ламинарному;

— ламинарный режим;

— турбулентный режим.

7. Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока :

- для переходного режима

(7.4)

- для ламинарного режима

(7.5)

- для турбулентного режима

(7.6)

гдеlт — теплопроводность газа, для воздуха значения lт приве­дены в табл. 7.3; Ni—коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса: 0,7 — для нижней поверхности, 1 — для боковой поверхности, 1,3 — для верхней поверхности.

8. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой :

(7.7)

где S_н, S_б, S_b—площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса соответственно:

Встречаются блоки РЭА с оребренными поверхностями. В этом случае необходимо определить эффективный коэффициент тепло­обмена оребренной i-й поверхности, который зависит от конст­рукции ребер и перегрева корпуса относительно окружающей сре­ды. Определение производится точно так же, как при расчете радиатора.

Определив эффективный коэффициент теплообмена , пере­ходят к расчету тепловой проводимости всего корпуса s_к, которая состоит из суммы проводимостей неоребренной s_к.о и оребренной s_к.р поверхностей:

s_к = s_к.о + s_к.р , где s_к.о рассчитывается по формуле (7.7), но без учета оребрен­ной поверхности; ; — площадь основания оребренной поверхности; Ni—коэффициент, учитывающий ориен­тацию этой поверхности.