Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

Пj

+ Pij/σ

BH ij

)/1/1(

∑

++=

КЛJПjKПj

Pijtt σσ

)/(

∑

++=

КЛККCK

Pjtt σσ

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 (σ

КЛ

) 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 примене-

ние в конструкциях РЭС. Это объясняется следующими причинами:

удельная тепловая нагрузка конструкций имеет тенденцию роста при

установившихся показателях теплоустойчивости элементной базы; на-

личие доступного и дешевого теплоносителя; относительная простота

233

конструкций нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с тем

системам принудительного воздушного охлаждения свойственны и су-

щественные недостатки, такие как наличие акустических шумов и виб-

рации, увеличение объема и массы конструкций РЭС, снижение надеж-

ности изделия и увеличение затрат энергии на охлаждение.

Используются три системы при-

нудительного воздушного охлаж-

дения: приточная, вытяжная и при-

точно-вытяжная.

Приточная система (рис. 5.45, а)

характеризуется тем, что воздух

под давлением, создаваемым на-

гнетателем, поступает в конструк-

цию, отбирает тепло от элементов

и выбрасывается в окружающую

среду или поступает в вытяжной

воздуховод (коллектор).

В вытяжной системе (рис. 5.45, б)

вентилятор устанавливается на вы-

ходе воздуха и отсасывает воздух

из кожуха конструкции.

В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают на входе

и выходе воздуха (рис. 5.45, в).

Названные системы обладают определенными достоинствами и не-

достатками. 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 приточно-

вытяжная система охлаждения, позволяющая в несколько раз снизить

утечки. Кажущаяся сложность приточно-вытяжной системы компенси-

руется лучшими экономическими показателями.

Подход к построению тепловой модели РЭС с принудительным воз-

душным охлаждением опирается на рассмотренные в разд. 5.2 общие

принципы. Однако сложность модели существенно зависит от структу-

ры нагретой зоны конструкции, принятых допущений и взаимодействия

потока охлаждающего воздуха с тепловыделяющими элементами.

234

Рис.

5.45.

Схемы

принудительного воз-

душного охлаждения:

а — приточная; б — вытяжная;

—

приточно

вытяжная

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 — t

вых

Поверхности нагретой зоны и кожуха считаются изотермическими и

имеют среднеповерхностные температуры t

и t

. 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

рассеивается в окружающей среде (конвекция и

излучение), другая часть Р

уносится воздушным потоком (конвективная

теплопередача).

Тепловая схема процесса теплообмена блока приведена на рис. 5.46, б.

На схеме приняты следующие обозначения: σ

— тепловая проводи-

мость между нагретой зоной и кожухом блока; σ

— тепловая прово-

димость кожух—окружающая среда; σ

зв

, σ

кв

— тепловые проводимости от

нагретой зоны и кожуха к воздушному потоку.

По тепловой схеме составляются алгебраические уравнения,

связывающие показатели теплового режима:

Р = Р

; Р

= Р

; (5.49)

P=σ

з.в

-t

)+σ

з.к

-t

);

(5.50)

з.к

-t

)=σ

кc

-t

)+σ

з.в

-t

)

235

где t

= 0,5 (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 воз-

душного потока:

P=σ

-t

) +w(t

вых

-t

вх

). (5.51)

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

— объемный расход воздуха в системе охлаждения; ρ , С

-плотность и

удельная теплоемкость воздуха при температуре t

Неизвестными в уравнениях (5.49)—(5.51) являются среднеповерх-

ностные температуры корпуса t

и нагретой зоны t

, а также темпера-

тура 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 реше-

на методом последовательных приближений или тепловой характери-

стики. Конвективные коэффициенты теплопередачи от нагретой зоны

и внутренней поверхности кожуха находят, используя модели продоль-

ного или поперечного обтекания тел воздушным потоком, конвектив-

ный коэффициент теплопередачи от кожуха в окружающее простран-

ртво — для случая естественной конвекции в неограниченном про-

странстве.

Наличие в нагретой зоне блока каналов для протекания воздуха из-

меняет подход к построению тепловой модели и усложняет саму мо-

дель. Чтобы убедиться в сказанном, обратимся к блоку кассетной кон-

струкции 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 предполага-

ется, что каждая плата представляет собой нагретую зону с изотерми-

ческой поверхностью. Воздух, проходящий через блок, прозрачен для

теплового излучения, коэффициенты конвективного теплообмена по-

верхностей нагретой зоны и кожуха внутри блока одинаковы.

Оценка стационарного теплового режима блока кассетной конст-

рукции 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 ка-

нале, образованном поверхностью платы и поверхностью нагретой зоны

со стороны тепловыделяющих элементов. При этом ширина канала

=b - h з , где b — шаг установки функциональных ячеек в блоке,h

—

высота нагретой зоны.

Исследование принудительного конвективного теплообмена в кана-

лах, образованных платами с установленными на них радиоэлементами

(каналы с незначительной шероховатостью), привело к следующим

критериальным зависимостям [20]:

Nu = 0,35Red

при Red

< 11,3;

Nu = l,5(Red

)

0.33

при Re<2200; (5.52)

Nu = 0,029Rе

0.8

)

0.054

при Re>2200,

где d

= 2(b — h

) = 2δ

— эквивалентный гидравлический диаметр;l

—

длина платы в направлении движения охлаждающего воздуха.

Теплофизические параметры воздуха в критериальных уравнениях оп-

ределяются при температуре t

Фрагмент тепловой схемы блока для трех функциональных ячеек

приведен на рис. 5.47, б. Каждая из трех ячеек отдает тепло воздушно-

му потоку (тепловая проводимость σ

), кожуху (σ

зк

), часть тепла с кожуха

уносится воздушным потоком (σ

кв

), оставшаяся часть рассеи-

237

вается в окружающем пространстве (σ

). Кроме того, осуществляется

взаимный теплообмен между функциональными ячейками через тепло-

вые проводимости σ

Тепловая проводимость σ

зв

=α

зв

. Конвективный коэффициент

теплопередачи α

3в

находят с помощью критериальных уравнений

(5.52). Проводимость σ

3к

характеризует теплопередачу излучением с

торцевых поверхностей нагретых зон на кожух: σ

3к

=α

зл

Sзл , где

3л

—

коэффициент теплопередачи излучением, S

3л

— площадь торцевой

поверхности нагретой зоны. Тепловая проводимость конвективной

теплопередачи кожуха воздушному потоку σ

=α

, где

≈ α

. Проводимость σ

кс

характеризует теплопередачу наружной

поверхности кожуха окружающей среде конвекцией и излучением.

Тепловую проводимость взаимного теплообмена а

находят в резуль-

тате представления пакета функциональных ячеек однородным анизот-

ропным телом.

5.7. Тепловое моделирование конструкций РЭС

с принудительным жидкостным охлаждением

Принудительное жидкостное охлаждение применяется в теплонаг-

руженных конструкциях. Тепло отбирается в результате прокачки че-

рез аппаратуру охлаждающей жидкости. Наибольшее распространение

этот способ получил при охлаждении больших элементов, представля-

ющих собой локализованные источники тепла. Охлаждающая жид-

кость прокачивается насосом через специальные каналы, выполненные

в платах или кожухе аппаратуры.

Одной из важных задач проектирования системы принудительного

жидкостного охлаждения является выбор теплоносителя, который дол-

жен 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 диа-

хшоне ргбочта. темщшуо охлаждаемого объекта.

238

В качестве теплоносителей обычно применяются вода, водоспирто-

вые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические

жидкости. В системах принудительного жидкостного охлаждения воз-

можны все три режима движения теплоносителя: ламинарный, пере-

ходный и турбулентный.

В блоках РЭС принудительное жидкостное охлаждение применяет-

ся для отвода тепла от кожухов или нагретых зон. При охлаждении ко-

жухов трубопровод прокладывается по наружной или (чаще) по внут-

ренней поверхности кожуха. Конструкция системы принудительного

жидкостного охлаждения нагретой зоны блоков зависит от ее структу-

ры. Так, в блоках с шасси трубопровод с теплоносителем прокладыва-

ется по верхней или нижней поверхности шасси между элементами и

связан с шасси сваркой или пайкой. В блоках с интенсивным тепловы-

делением часто используются теплообменники «воздух — жидкость»,

через которые нагретый воздух продувается малогабаритными венти-

ляторами. Значительная часть тепловой энергии, рассеиваемой нагре-

той зоной, уносится жидким теплоносителем из теплообменников.

Блоки кассетного типа с принудительным жидкостным охлаждением

конструктивно аналогичны блокам с воздушным охлаждением. Отлича-

ются они более массивным герметичным кожухом и наличием межплат-

ных каналов для прокачки охлаждающей жидкости. Из входного пат-

рубка теплоноситель через жидкостный распределитель попадает в

межплатные каналы. Отбирая из нагретой зоны блока тепло, теплоно-

ситель выходит через другой патрубок, который может располагаться

как со стороны входного патрубка, так и с противоположной стороны.

Упрощенное представление конструкции с системой принудитель-

ного жидкостного охлаждения дано на рис. 5.48, а. Трубопровод с теп-

лоносителем 2 припаян к теплостоку в нагретой зоне 3, температура

жидкости на входе системы t

, 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 сре-

де. Поверхности кожуха, нагретой зоны с трубопроводом считаются

изотермическими, тепловое сопротивление между теплостоком и тру-

бопроводом мало. Не учитывается из-за малой величины и тепловое со-

противление стенки трубопровода.

Тепловая схема блока приведена на рис. 5.48, б. По схеме составля-

ется система уравнений, связывающих обозначенные переменные:

Р=Р

;

=σ

з.ж

-t

): (5-53)

з.к

-t

) =σ

к.с

-t

)

где σ

3ж

— тепловая проводимость конвективной теплопередачи от на-

гретой зоны к жидкости; σ

— тепловая проводимость теплопередачи

конвекцией и излучением через воздушную прослойку от нагретой

зоны к кожуху; σ

кс

— тепловая проводимость, характеризующая

теплообмен кожуха с окружающей средой; t

, t

— среднеповерхностные

температуры нагретой зоны и кожуха; t

= 0,5(t

вых

) — средняя

температура охлаждающей жидкости.

Дополнительное уравнение получают исходя из условия, что все

тепло, кроме рассеиваемого в окружающей среде, расходуется на повы-

шение теплосодержания охлаждающей жидкости:

Pσ

-t

)+w

вых

-t

вх

) (5.54)

где w

= G

ρ С

— условная тепловая проводимость жидкости.

Плотность ρ и удельная теплоемкость С

жидкости берут для сред-

ней температуры t

Тепловая проводимость σ

3ж

=α

зж

тр

,где α

зж

— конвективный

коэффициент теплопередачи от стенки трубопровода к жидкости; S

ТР

— площадь внутренней поверхности трубопровода.

Определение α

3ж

производится для условий принудительного кон-

вективного теплообмена в трубах.

Тепловые проводимости σ

и σ

кс

характеризуют теплообмен с

окружающей средой при естественной воздушной конвекции.

240

Для определения неизвестных среднеповерхностных температур на-

гретой зоны t

, кожуха t

и температуры жидкости на выходе системы

охлаждения t

вых

можно воспользоваться методами последовательных

приближений или тепловой характеристики.

5.8. Тепловые трубы

Тепловая труба (ТТ) — испарительно-конденсационное герметич-

ное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для пе-

редачи тепла и работающее по замкнутому ,циклу. Конструктивно пред-

ставляет 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,

и в 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 теп-

лоносителя применяются органические жидкости, вода (низкотемпера-

турные ТТ), при температурах ниже 200 К теплоносителем служат сжи-

женные газы (криогенные ТТ).

Тепловая труба делится на три зоны: испарительную а, транспорт-

ную б и конденсационную в. При подводе тепла к испарительной зоне

теплоноситель в этой части капиллярно-пористой структуры начинает

испаряться. Пары теплоносителя, пройдя транспортную зону, поступа-

ют в конденсационную зону, где в результате конденсации паров выде-

ляется тепло, а жидкость под действием капиллярных и гравитацион-

ных сил возвращается в зону испарения.

Таким образом, ТТ является элементом системы охлаждения, спо-

собным транспортировать тепло из одной части конструкции в другую

241

Рис. 5.49. Конструкция тепловой трубы

при минимальной разности температур между источником тепла и

теплостоком. Другими словами, ТТ аналогична стержню,

передающему тепло кондукцией, изготовленному из материалов с

коэффициентом теплопроводности λ=10

Вт/(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 вы-

полняют 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 мно-

гих источников, расположенных в различных зонах конструкции, к

единому стоку тепла, где созданы оптимальные условия

теплообмена, и ДР.

Рис. 5.51. Охлаждение

теплонагруженного элемента

с помощью тепловой трубы:

1 — охлаждаемый

элемент;

2 — радиатор; 3 —

тепловая труба

242