1) Форма платы по возможности должна быть квадратной, что способствует уменьшению длины проводников.
10) Обеспечение тепловых режимов электронно-вычислительной аппаратры
10.1 Тепловые режимы и источники выделения тепла
Настоящее и будущее электронной аппаратуры связано с использованием больших мощностей при сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а следовательно, и плотности рассеиваимой теплоты. Для современной аппаратуры плотность мощности рассеяния сставляет 0.6-6 Вт/см*см. Поэтому при конструировании ЭВА особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и конроля температуры.
Тепловой режим блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек - температурным полем.
рис.1.10 Температурное поле блока
Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называтся нормальным.
В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным.
Неизменностью температурного поля во времени характеризуется стационарный режим .
Зависимость т/поля от времени характерна для нестационарных режимов .
Все схемные элементы ЭВА делят на две группы:
1) источники тепла или теплоактивные элементы(электронные лампы, п/проводниковые приборы, резисторы и т.д.); которые при работе рассеивают тепло в окружающую среду.
2) элементы, которые при работе не выделяют тепло, и обладают сравнительно низкой термостойкостью(кварцевые стабилизаторы, термосопротивления, конденсаторы и т.д.). Такие элементы, нагретые от соседних источников тепла, могут изменять свои характеристики или вовсе выйти из строя.
10.2 Способы теплопередачи в аппаратуре
Физический перенос тепла от нагретых элементов к холодным и в окружающую среду осуществляется теплопроводностью, тепловым излучением и тепловой конвекцией.
Для описания всех трех видов теплообмена можно использовать следующее соотношение
Ô = aSDt (10.1)
где Ф - тепловой поток, Вт; a - коэффициент теплопередачи, Вт/(м*м,к); S - площадь поверхности теплообмена, м*м; Dt - перепад температур между двумя изотермическими поверхностями в теле или между двумя телами, к.
В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает практически невозможным точный расчет температурного поля.
Поэтому на практике расчет проводят как правило,для одного наиболее эффективного вида теплообмена, не принимая во внимание все другие.
10.2.1 Теплопроводность - имеет место при передаче тепла внутри одного тела или к другому телу, находящемуся с ним в контакте.
Определяется законом Фурье
(10.2)
b - ширина стенки, или длина теплового потока, м;
l - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м*м,к;
S - теплопроводящая площадь, м*м;
T1;T2 - постоянные во времени температуры поверхности стенки или холодного и нагретого тела, к.
Q - переносимый тепловой поток (колич. знач.)
Если теплопроводность не зависит от температуры внутри стенки она убывает по линейному закону (рис. 10.2)
рис. 10.2 Передача тепла через стенку
Коэффициент теплопроводности l у различных веществ различен: у неметаллических = 0.05 ... 0.8; у металлических = 45 ... 390Вт/м*С, т.е. на 3,4 порядка больше жидкости 0.09 ... 0.5Вт/м*м*С, газов приблизительно на порядок меньше.
Если сравнить уравнение (10.2) с уравнением закона Ома для электрических цепей, то нетрудно убедиться в их полной аналогии:
J = (U1 - U2)/R
Так как количество тплоты в еденицу времени соответствует значению J; разность температур - разности потенциалов, а отношение [b/(S*l) ] - называют тепловым или термическим сопротивлением:
Rc = b/(S*l) (10.3)
Значение Rc соответствует сопротивлению R в законе Ома, а величина обратная коэффициенту теплопроводности (1/l), т.е. удельное термическое сопротивление, удельному сопротивлению в теплотехнике.
1/l =Rc*S/b (10.4)
Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока и электрического тока не только позволяет отметить общность физических процессов, происходящих в телах, но и облегчает проведение расчета теплопроводности в сложных конструкциях. Это достигается моделированием тепловых цепей, электрическими
Рассмотрим пример
рис. 10.3 Передача теплоты через составную стенку
Используя (10.2) составим систему уравнений для трехслойной стенки.
Сравним с законом Ома
Для
расчета цепочки последовательных
сопротивлений.
Предположим, что элементы, которые необходимо охлаждать располагаются на стенке с температурой Т1, тогда
T1 = Q*b/l*S+T2
Отсюда, для уменьшения Т1 следует увеличить площадь теплопроводящей поверхности, уменьшить количество выделяемой теплоты, толщину стенки (путь передачи теплоты), температуру и выбрать материал с высокой теплопроводностью (этому соответствует ПП на металлической основе)
10.2.2 Тепловое излучение -
представляет собой передачу тепловой энергии в виде электромагнитных колебаний. Вначале тепловая энергия нагретого тела переходит в лучистую энергию и распространяется в окружающее пространство. Далее при встрече с другим телом лучистая энергия нагревает его, превращаясь в тепло.
Теплопередача излучением Qл определяется законом Стефана-Больцмана и в общем виде выражается соотношением:
(10.5)
l - коэффициент теплопередачи излучением Вт/м*м*к
Т1,Т2 - соответственно температура излучающей и нагреваемой поверхности, к
Sл - площадь излучающей поверхности.
Лучистая энергия не только поглощается поверхностью, но и отражается ею . Степень поглощения или отражения зависит от состояния излучающей поверхности и определяется степенью черноты e 0.04 < e < 0.96 (табличное значение)
Отвод тепла излучением широко используется в ЭВА.
Например: для защиты теплочувствительных пассивных элементов от перегрева в блоках устанавливают теплопоглащающие или теплоотражающие экраны.