3.3 Контрольні запитання і завдання

1. Яким законом описується ймовірності раптових відмов?

2. Чому дорівнює ймовірність напрацювання до першої відмови без урахування відновлення?

3. За рахунок яких конструктивних заходів можливо зменшити час відновлення ТЕЗ?

4. Як можна порівняти варіанти компонування за показниками безвідмовності і ремонтопридатності?

5. Чому потік відновлення при масовому обслуговуванні однотипних ЕА є випадковою величиною?

6. За рахунок яких факторів можливо добитися збільшення коефіцієнта готовності ЕА?

7. Як змінюється ймовірність нормального функціонування ЕА при збільшенні кількості модулів?

8. Які елементи є найменш надійними в конструкції ЕА, що ви проектуєте?

9. Який найбільш раціональний метод виконання внутрішньоблочного монтажу у вашій конструкції з позиції забезпечення високої надійності та ремонтопридатності ЕА?

10. Наведіть основні фактори експлуатації ЕА, які впливають на його надійність, та класифікацію відмов.

3.4 Приклади аудиторних і домашніх задач

Завдання. Визначити ймовірність безвідмовної роботи ЕА, який складається з двох модулів, без урахування відновлення протягом t=1000 год. безперервної роботи та ймовірність його відновлення за час t_Д = 1 год., якщо інтенсивність відмов модулів – λ₁ = λ₂ =0,510^-5, а середній час їх відновлення – Т_В = 0,75 год.

Розв’язання.

Сумарна інтенсивність відмов усіх модулів ЕА:

(1/год.).

Середнє напрацювання до першої відмови без урахування відновлення:

(год.).

Ймовірність безвідмовної роботи без урахування відновлення за 1000 год.:

.

Знаходимо ймовірність відновлення ЕА за допустимий час , як:

.

Відповідь: імовірність безвідмовної роботи ЕА протягом t = 1000 год. дорівнює 0,989, а ймовірність його відновлення за 1 год. – 0,57.

4 Оцінка теплового режиму елемента, встановленого

НА РАДІАТОРІ

4.1 Мета заняття

Вивчення методики проектування конструкції радіатора та розрахунку теплового режиму елемента, встановленого на радіаторі.

4.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Необхідно пам’ятати, що одним із заходів забезпечення нормального теплового режиму роботи блока ЕА є встановлення теплонавантажених елементів (іноді цілих модулів) на додатковий тепловивід (радіатор). Проблема вибору необхідного типу радіатора з ряду уніфікованих або необхідність його проектування виникає тоді, коли в результаті розрахунку теплового режиму ЕА з'ясовується, що локальний перегрів теплонавантаженого елемента значно перевищує допустимі значення. Таке вирішення, з точки зору забезпечення технологічності конструкції, у багатьох випадках виявляється більш ефективним, ніж, наприклад, застосування примусової системи охолодження, використання теплових труб або інших заходів. При цьому радіатор доцільно виносити на зовнішню (задню, бокову) панель корпуса ЕА.

Зверніть увагу, що для малогабаритних елементів (потужні транзистори, діоди, теплонавантажені мікросхеми) доцільно використовувати існуючі типи уніфікованих радіаторів. Розробка нової конструкції радіатора виправдовує себе лише за відсутності уніфікованих типів радіаторів для великогабаритних вузлів. Це практичне заняття присвячене вивченню послідовності проектування радіатора для теплонавантаженого елемента конструкції, що розробляється. Дана методика може використовуватися для розрахунку будь-яких оребрених поверхонь з розміщеними на них тепловиділяючими модулями. На даному занятті необхідно спочатку спроектувати конструкцію радіатора, а після цього провести розрахунок теплового режиму елемента, що встановлено на ньому.

Готуючись до практичного заняття за даною темою, необхідно вивчити теоретичний матеріал попередніх лекцій і матеріал, викладений в основній [3, с. 336–343; 4, с. 163–170; 6, с. 198–210] та додатковій [5, с. 463–466] літературі.

4.2.1 Рекомендації з підготовки початкових даних

На початку вирішення зазначених задач необхідно з’ясувати:

1. Наявність теплонавантажених елементів у конструкції ЕА, що проектується, та їх габарити з урахуванням елементів кріплення , , , м.

2. Потужність, яка розсіюється на елементі , Вт.

3. Температура навколишнього середовища , К.

4. Атмосферний тиск , Па.

5. Допустима температура корпуса елемента , К.

6. Максимально допустима температура у блоці ЕА , К.

Необхідні величини вибираються за ТЗ ( , ), за результатами аналізу, що проведено у лабораторній роботі №1, ( , ) та з довідника ( , , ).

4.2.2 Методика проектування конструкції радіатора

Найбільш поширеними типами радіаторів є пластинчасті та штирьові радіатори. Методика їх проектування схожа між собою. Наведена послідовність розрахунку відноситься до пластинчастого радіатора.

На рис. 4.1 показано варіант встановлення на пластинчастому радіаторі 1 елемента 2 прямокутної форми, як у більшості потужних транзисторів.

Рисунок 4.1

Для розробки конструкції радіатора (рис. 4.1) – визначення його розмірів – необхідно знати габаритні розміри , , елемента, який потрібно охолодити, та задатися товщиною ребра і кількістю ребер , з кожної сторони елемента.

Кількість ребер можливо взяти, наприклад, рівною = = 2. Товщина ребра вибирається з ряду мм. Після цього розраховують інші геометричні розміри радіатора:

- відстань між ребрами дорівнює, м

;

- висота ребра, м

;

- довжина ребра, м

;

- товщина основи радіатора, м

;

- довжина радіатора, м

.

Після визначення геометричних розмірів радіатора розраховують сумарну поверхню тепловіддачі радіатора та встановленого елемента , м²:

,

де ;

.

Далі визначають питомий тепловий потік через поверхню тепловіддачі:

.

Якщо виконується співвідношення

Вт/м², (4.1)

то вибрана конструкція радіатора вважається задовільною, а якщо ні – то збільшують кількість ребер і до тих пір, доки не виконуватиметься нерівність.

Після цього вибирають матеріал радіатора. Рекомендується вибирати конструктивні матеріали, які мають значний коефіцієнт теплопровідності , наприклад, алюмінієві або мідні сплави (табл. 4.1). Часто радіатори покриваються теплопровідними лаками з товщиною покриття = 0,1…0,3 мм. У деяких випадках як покриття застосовують чорніння поверхні (хімічне чорніння).

Для подальшого розрахунку необхідно вибрати покриття та з’ясувати коефіцієнт чорноти поверхні (табл. 4.2) і коефіцієнт теплопровідності матеріалу покриття за літературними джерелами.

Таблиця 4.1 – Коефіцієнт теплопровідності деяких матеріалів

Матеріал	, Вт/м К	Матеріал	, Вт/м К
Склотекстоліт	0,34…0,74	Латунь Л63	86
Сталь	45…92	Дюралюміній	160…180
Бронза	64…88	Сплав АЛ2	175

Таблиця 4.2 – Коефіцієнт чорноти поверхні деяких тіл

Матеріал і стан поверхні		Матеріал і стан поверхні
Алюміній полірований	0,04…0,06	Краски емалеві	0,92
Алюміній окислений	0,20…0,30	Лак чорний	0,96…0,98
Дюралюміній Д16	0,37…0,41	Муар сірий, чорний	0,89…0,90
Мідь шліфована	0,03	Краска алюмінієва	0,28

4.2.3 Розрахунок теплового режиму елемента, встановленого на радіаторі

Подальша задача полягає у визначенні температури елемента, установленого на радіаторі, та порівнянні її з допустимою величиною , тобто:

. (4.2)

Якщо виконується нерівність (4.2), то це свідчить про достатність площі радіатора. У протилежному випадку треба її змінити, наприклад, додавши ще ребра.

Для розрахунку теплового режиму елемента методом послідовних наближень застосовується класична схема розв’язання рівняння теплового балансу:

, (4.3)

де , – температури радіатора та навколишнього середовища, К;

– сумарний коефіцієнт теплообміну, який враховує конвективну, променеву та кондуктивну складову, Вт/м² К;

– параметр, який враховує перепад температури за висотою ребра;

– потужність, що розсіюється на елементі, Вт;

– сумарна поверхня тепловіддачі радіатора зі встановленим на ньому елементом, м².

У подальших розрахунках використовують дві геометричні характеристики ребра: периметр перетину ребра площиною, перпендикулярною ребру і паралельною основі радіатора, (периметр змочування конвективним потоком), та площа поверхні даного перетину .

Розмірності всіх величин, що входять у розрахункові формули, необхідно брати в одиницях СІ.

1. Початкове наближення треба починати із завдання значення величини , яка являє собою сумарний коефіцієнт конвективного і променевого обміну. Його значення слід вибирати в межах: Вт/м² К.

2. За вибраним визначають початкове значення коефіцієнта ефективності ребра у відповідності з формулою:

,

де ( – теплопровідність матеріалу ребра).

3. Визначають початкове значення сумарного коефіцієнта теплообміну з урахуванням конвективної, променевої та кондуктивної складової:

.

4. Розраховують початкову температуру поверхні радіатора згідно з (4.3):

та середню температуру повітря біля елемента:

.

Подальші ітерації виконують з метою послідовного поліпшення всіх значень величин , , , , , .

5. Обчислюють деякі характерні числа, прийняті в аеродинаміці, що визначають протікання конвективного потоку, який охолоджує радіатор з установленим елементом. До них відносяться числа Грасгоффа та Нуссельта .

Перше число характеризує протікання конвективного потоку з урахуванням температури і в’язкості повітря, друге – з урахуванням теплообміну між тілом, що охолоджується, і потоком.

Визначають початкове наближення числа Грасгоффа:

,

де – прискорення сили тяжіння, м/с²;

– коефіцієнт кінематичної в’язкості, який приймає значення в залежності від температури повітря (табл. 4.3).

Таблиця 4.3 – Значення коефіцієнта кінематичної в’язкості

Т, оC	0	20	40	60	80	100
, м2/с	1,3310-5	1,5610-5	1,710-5	1,8910-5	2,1110-5	2,3110-5

За отриманим значенням знаходять критеріальний коефіцієнт:

.

Число Нуссельта розраховують у залежності від значення :

- якщо < 7, то початкове значення числа Нуссельта визначають, як

;

- якщо 7 ≤ ≤ 20, то

;

- якщо >20, то

.

6. За значенням числа Нуссельта розраховують конвективний коефіцієнт теплообміну у першому наближенні:

,

де =2,8 10^-2 – коефіцієнт теплопровідності повітря.

7. Знаходять променевий коефіцієнт теплообміну у першому наближенні:

.

8. Визначають сумарний коефіцієнт теплообміну у першому наближенні з урахуванням конвективної та променевої складової:

та сумарний коефіцієнт теплообміну з урахуванням кондуктивної складової:

.

9. Визначають у першому наближенні коефіцієнт :

та коефіцієнт ефективності ребра:

.

10. Визначають у першому наближенні температуру радіатора :

.

11. Продовжують ітеративний процес обчислення коефіцієнтів , , , , та і так далі. Ознакою завершення процесу послідовних наближень є виконання співвідношення:

,

де , – номери послідовних наближень;

– довільно вибране число (наприклад, 3 ^оС).

Тепловий режим задовільний, якщо виконується співвідношення (4.2).

4.2.4 Порядок виконання роботи

1. За результатами проведеного у лабораторній роботі №1 аналізу схеми електричної принципової ЕА вибрати один-два найбільш теплонавантажених елементів для встановлення їх на радіатор.

2. Для вибраних елементів визначити габаритні розміри та потужність, яку вони розсіюють.

3. Спроектувати конструкцію радіатора за вказівками п. 4.2.2 та визначити його ефективність за співвідношенням (4.1).

4. Розрахувати тепловий режим елементів, встановлених на радіаторі, за розглянутою у п. 4.2.3 методикою.