Основы проектирования радиоэлектронных средств (РЭС): Задание на курсовую работу, методические указания к выполнению курсовой работы

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ (РЭС)

Задание на курсовую работу Методические указания к выполнению курсовой работы

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654300 – проектирование и технология электронных средств 200800 – проектирование и технология радиоэлектронных средств

Санкт – Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским УДК.621.396:658.512.2 (07)

советом

университета

Основы проектирования радиоэлектронных средств (РЭС): Задание на курсовую работу, методические указания к выполнению курсовой работы. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 44 с. Тематика курсовой работы соответствует рабочей программе дисциплины «Основы проектирования радиоэлектронных средств (РЭС)», отвечающей требованиям государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654300 (специальность 200800 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»). Представлены варианты задания на курсовую работу, выполняемую по разделу «Тепло- и массообмен в конструкциях РЭС и расчет теплового режима». Работа выполняется с использованием ПЭВМ. Приведены методические указания к выполнению курсовой работы. Рассмотрено на заседании кафедры технологии и дизайна радиоэлектронной техники 29 апреля 2004 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 6 мая 2004 г.

Р е ц е н з е н т ы: кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники СЗТУ (зав. каф. В.Н. Воронцов, д-р техн. наук, проф. ); В.И.Соколов, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. лабораторией физико-технического института РАН Составитель

В.В. Винников, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

ВВЕДЕНИЕ Целью курсовой работы является изучение методики расчета теплового режима РЭС и его элементов, а также выработка практических навыков по ее использованию с применением ПЭВМ. В основу методики положен ОСТ 4 ГО.012.032 «Аппаратура радиоэлектронная. Блоки на микросборках, микросхемах и дискретных электрорадиоэлементах. Методы расчета тепловых режимов». В ходе курсовой работы студенты должны ознакомиться и освоить: программное обеспечение; выбор теплового режима РЭС (элемента) на ранних стадиях проектирования; обеспечение работоспособности изделия за счет введения тепловых шин или радиаторов; методику расчета температур теплонагруженных элементов; расчета теплового режима элементов, установленных на радиаторах. Выполнение курсовой работы призвано способствовать закреплению, углублению и обобщению теоретических знаний, полученных студентами по изучаемой дисциплине. 1. ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ Курсовая работа является самостоятельной работой студента и должна быть выполнена на основе индивидуального задания в соответствии с двумя последними цифрами студенческого шифра. Задания для студентов, обучающихся в составе организованных групп по направлению предприятия, формируются на основании запроса предприятия, где указываются интересующие предприятие задачи. Задание 1 Исходные данные приведены в табл. 1. Блок РЭС имеет форму параллелепипеда на базе универсальной типовой конструкции (УТК) с размерами L1×L2×H=240×360×200, где L1,L2 и Н – ширина, глубина и высота блока, мм. В блоке установлено 7 печатных плат (ПП) с ЭРЭ (рис. 1 и 2) с шагом ∆п=30 мм. На рис. 1 обозначены: расстояние от элементов на ПП до корпуса блока не менее ∆ =20 мм.; Lкх=Н; Lку=L2; Lкz=L1; lx и ly – размеры ПП; lz – расстояние между крайними ячейками в блоке. На рис. 2 обозначены: G – направление потока воздуха; x - расстояние до первого элемента; lэх и lэу - размеры элемента по осям X и Y; f – зазор между ПП и корпусом блока по оси Y, f=40 мм.

Расположение элементов на ПП показано на рис. 3. На нем обозначены: х1, х2, у1, у2 – зазоры между полем установки элементов и сторонами ПП (краевые поля); lyo, lxo – шаги установки элементов; lx=160 мм; ly=280 мм. Толщина ПП δп=1,5мм, толщина ячейки – 10 мм; на ячейке стоит разъем типа ГРПП 3, его tдоп=120 0С. Имеется три типа ПП. Состав элементов по типам плат: тип 1 х1=х2=17,5 мм; у1=у2=5 мм; lxo=17,5 мм; lyo=27,5 мм; на плате установлены микросхемы (МС) с прямоугольными корпусами типа 201.14 с размерами lэу=19,5 мм; lэх=6,1 мм (с выводами lэх=8 мм); lэz=5,5 мм и Sэо=1,27⋅10-4 м2 (площадь основания корпуса МС);

Таблица 1

Конструкция и условия эксплуатации блока Параметры и их значения в соответствии с вариантом (цифрой шифра) Состав блока: Категория РЭС и Давление Вариант Q, Тип KП KЗ количество и рабочий диапазон окружающей Вт вентиляции тип ПП температур, К среды, кПа Предпоследняя цифра шифра Последняя цифра шифра Стационарная №1 – 4 шт. 1 100 0,15 0,15 лабораторная, 98…104 Приточная №3 – 3 шт. 288…308 №2 – 5 шт. Промышленная, 2 141 0,20 0,35 98…104 Вытяжная №1 – 2 шт. 278…313 №3 – 5 шт. Полевая, 3 108 0,25 0,15 66…104 Приточная №2 – 2 шт. 243…318 №1 – 3 шт. Возимая, 4 120 0,30 0,25 66…104 Вытяжная №2 – 4 шт. 268…320 №1 – 3 шт. Бортовая, 5 60 0,35 0,20 40…104 Приточная №3 – 4 шт. 218…323 Бортовая №2 – 3 шт. 6 123 0,40 0,40 салон, 86…104 Вытяжная №3 – 4 шт. 283…308 №1 – 4 шт. Морская, 7 100 0,45 0,15 98…104 Приточная №2 – 3 шт. 283…303

Окончание табл. 1

Параметры и их значения в соответствии с вариантом (цифрой шифра) Состав блока: Категория РЭС и Давление Вариант Q, Тип KП KЗ количество и рабочий диапазон окружающей Вт вентиляции тип ПП температур, К среды, кПа Предпоследняя цифра шифра Последняя цифра шифра №2 – 5 шт. Морская, 8 153 0,50 0,30 98…104 Вытяжная №3 – 2 шт. 293…320 №1 – 2 шт. Танковая, 9 66 0,10 0,20 66…104 Приточная №3 – 5 шт. 253…313 Стационарная с №2 – 4 шт. 0 55 0,05 0,45 кондиционером, 98…104 Вытяжная №3 – 3 шт. 293…298 Примечания: 1. Q – рассеиваемая в блоке мощность. 2. K П – коэффициент перфорации корпуса РЭС. 3. K З – коэффициент заполнения РЭС. 4. K П и тип вентиляции указаны для случая, когда необходимо выбрать перфорированный кожух или принудительную вентиляцию соответственно.

Рис.1. Блок РЭС с естественным воздушным охлаждением: 1 – корпус блока; 2 – ПП; 3 – МС (ЭРЭ); 4 – вентилятор

Рис. 2. Блок РЭС с принудительным воздушным охлаждением: 1 – корпус блока; 2 – ячейка (ПП); 3 – МС (ЭРЭ)

Рис. 3. ПП с элементами: 1 – ПП; 2 – элемент Количество элементов в ряду ny=10; количество рядов nx=7; всего элементов n=nxny=70, причем: 1 ряд – МС типа К155, Qэ=0,02 Вт (мощность, выделяемая в МС), tдоп=850С (допустимая температура МС по ТУ), Sэ=4,9⋅10-4 м2 (площадь поверхности МС); 2 ряд – МС типа К155, Qэ=0,01 Вт, tдоп=85 0С, Sэ=4,9⋅10-4 м2; 3 ряд – МС типа КР186, Qэ=0,15 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 4 ряд – МС типа КР186, Qэ=0,27 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 5 ряд – МС типа КР134, Qэ=0,025 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 6 ряд – МС типа К144, Qэ=0,005 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 7 ряд – МС типа К176, Qэ=0,05 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; суммарная мощность, выделяемая в ячейке, – 5,3 Вт, объем ПП Vп=1,12⋅10-4 м3; тип 2 х1=х2=17,5 мм; у1=у2=5 мм; lxo=17,5 мм; lyo=27,5 мм; установлены МС с корпусами типа 201.14 (см. ПП тип 1); nx=7, ny=10. Первые пять рядов занимают МС, т.е. n=50 для МС; 1 ряд – МС типа КР123, Qэ=0,01 Вт, tдоп=85 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 2 ряд – МС типа КР127, Qэ=0,22 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 3 ряд – МС типа К174, Qэ=0,8 Вт, tдоп=85 0С, Sэ=4,8⋅10-4 м2; 4 ряд – МС типа К143, Qэ=0,05 Вт, tдоп=70 0С, Sэ=4,6⋅10-4 м2; 5 ряд – МС типа К174, Qэ=1,2 Вт, tдоп=85 0С, Sэ=4,8⋅10-4 м2; 6 ряд – резисторы ОМЛТ-0,5 с размерами 17,5×4,2 мм (круглые), Qэ=0,3 Вт, tдоп=155 0С, n=10, Sэ=2,6⋅10-4 м2;

7 ряд – конденсаторы КМ6 с размерами 8×8 мм, корпус прямоугольный, lyo= 12,5 мм, tдоп=155 0С, n=21, Sэ=1,6⋅10-4 м2; суммарная мощность, выделяемая в ячейке, – 26 Вт, объем ПП Vп=1,12⋅10-4 м3; тип 3 х1=х2=17,5 мм; у1=5 мм, у2=7,5 мм; n=28 для МС; 1 ряд – МС типа К145,тип корпуса 201.14, Qэ=0,05 Вт, tдоп=60 0С, lхо=17,5 мм; lуо=27,5 мм, ny=10, Sэ0=1,27⋅10-4 м2; Sэ=4,9⋅10-4 м2; 2 ряд – МС типа К155, тип корпуса 201.14, Qэ=0,315 Вт, tдоп=85 0С, lхо=17,5 мм; lуо=27,5 мм, ny=10, Sэ0=1,27⋅10-4 м2; Sэ=4,9⋅10-4 м2; 3 ряд – МС типа К514, тип прямоугольного корпуса 239.24-1, Qэ=0,2 Вт, tдоп=70 0С, lхо=40 мм; lуо=62,5 мм, ny =4, Sэ0=4,41⋅10-4 м2; Sэ=12,8⋅10-4 м2; lэу=31,5 мм; lэх=12,6 мм (с выводами 16 мм); 4 ряд – МС типа КP580, тип прямоугольного корпуса 2123.40-2, Qэ=1 Вт, tдоп=75 0С, lхо=40 мм; lуо=70 мм, ny=4, Sэ0=7,21⋅10-4 м2; Sэ=18,7⋅10-4 м2; lэу=49,5 мм; lэх=12,6 мм (с выводами 16 мм) ; 5 ряд – резисторы ОМЛТ-0,25 с размерами 15×3 мм (круглые), Qэ=0,2 Вт, tдоп=155 0С, lуо=25 мм, ny =11, Sэ=1,6⋅10-4 м2; суммарная мощность, выделяемая в ячейке, – 11 Вт, Vп=1,12⋅10-4 м3. На основании исходных данных Вы должны провести следующие расчеты: - выбрать способ охлаждения и рассчитать элементы системы охлаждения; - определить температуру нагретой зоны; - определить количество и тип элементов, подлежащих расчету; - рассчитать тепловой режим выделенных элементов; - оценить тепловой режим РЭС; - в случае неудовлетворительного теплового режима предложить соответствующие конструктивные решения и подтвердить их эффективность расчетами; - сделать выводы и привести результаты. Задание 2 Вам дано задание выполнить необходимые тепловые расчеты и сделать заключение о целесообразности применения заданной конструкции радиатора большого элемента в указанных условиях эксплуатации. Исходные данные приведены в табл.2. Большие элементы имеют максимальную допустимую температуру Тд=373 К. Степень черноты поверхности охлаждения ε =0,8. Коэффициент теплопроводности материала ребра λ=210 Вт/( м ⋅ К ). В таблице приведены следующие обозначения: δ – толщина ребра;

b – расстояние между ребрами; h – высота ребра (штыря); D – ширина ребра; S – площадь радиатора; d – диаметр сечения штыря; S1 – шаг установки штырей; Vвх – скорость воздуха на входе в радиатор; G – массовый расход охлаждающего воздуха; Тс – температура среды; Р – мощность, рассеиваемая большим элементом; Н – давление воздуха.

Таблица 2

шифра

ЦИФРА

КОНСТРУКЦИИ РАДИАТОРОВ И УСЛОВИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Конструкция радиатора Пластинчатый с вертикальными ребрами Штыревой

Исходные данные в соответствии с последней цифрой шифра δ ⋅ 103 ,

b ⋅ 102 ,

h ⋅ 10 ,

м 2,0 1,5 1,0 1,5 2,0 -

м 1,0 0,8 0,5 0,8 1,0 -

м 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 0,2 0,3 0,1 0,2 0,2

D, м 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 -

S, м2 0,15 0,15 0,40 0,45 0,50 0,15 0,15 0,25 0,30 0,30

d ⋅ 10 3 ,

м 1,5 1,5 2,0 2,0 2,5

S1 ⋅ 10 3 ,

Vвх ⋅ 10 ,

м 6,0 6,0 8,0 9,0 9,0

м/с 1,3 1,5 1,2 1,4 1,6

предпоследней цифрой Н, G ⋅ 10 , Т с , Р, Вт мм рт. ст. кг/с К 308 160 750 313 170 770 323 150 790 315 140 720 300 130 700 0,5 298 200 660 1,0 303 190 680 0,6 318 155 720 0,8 320 145 740 1,2 293 140 760

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ Задание 1 В процессе выполнения работы необходимо выполнить расчеты теплового режима и составить заключение о целесообразности использования предложенной конструкции в заданных условиях эксплуатации. В случае невозможности использования данной конструкции следует рассмотреть конструктивные способы обеспечения нормального теплового режима и подтвердить это решение соответствующими расчетами. 2.1. Выбор способа охлаждения (ОСТ 4 ГО.070.003) 2.1.1. Исходные данные: - мощность, рассеиваемая блоком Q, Вт; - допустимая температура нагретой зоны tдоп, 0С, под ней понимается предельно допустимая температура наименее теплостойкого элемента; - диапазон изменения температуры окружающей среды tocmin… tocmax, 0C. 2.1.2. Определяется расчетная поверхность нагретой зоны, м2, S 3 = 2[L1 L2 + (L1 + L2 )L3 к з ] , где L1 и L2 – горизонтальные размеры кожуха РЭС; L3 – высота кожуха, м; Kз – коэффициент заполнения РЭС. 2.1.3. Определяется величина удельной мощности нагретой зоны, Вт/м2, q = Q S3 . 2.1.4. Определяется минимальная величина допустимого перегрева нагретой зоны, 0С, ∆tдоп = tдоп − tос max , при этом для принудительного воздушного охлаждения за tocmax принимается температура воздуха на входе в блок. 2.1.5. Используя найденные значения q и ∆tдоп, по графику (рис. 4) выбирается способ охлаждения.

Рис. 4. Способы охлаждения: 1 и 2 – естественный и принудительный воздушный; 3 – жидкостный; 4 и 5 – естественный и принудительный испарительный В случае соответствия q и ∆tдоп нескольким способам охлаждения выбирается один из них с использованием технических характеристик систем охлаждения, способ определения которых приведен далее. 2.2. Естественное воздушное охлаждение при нормальном атмосферном давлении По значениям q и ∆tдоп находится значение Р (вероятность обеспечения нормального теплового режима РЭС): - для блоков с герметичным кожухом и внутренним перемешиванием воздуха с массовой скоростью ω = 0…3 кг/(м2с) используется рис.Б.4 [1,с.230]; - для блоков с перфорированным кожухом – рис.Б.5[1,с230], причем в [1] ∆tдоп обозначено как ∆tс. Выбор осуществляется в зависимости от области значений Р. Практически рекомендуется использовать условия охлаждения, соответствующие области Р > 0,3. При этом тепловой режим РЭС

называется нормальным, если температура его элементов равна или ниже допустимой по ТЗ на эти элементы. 2.3. Естественное воздушное охлаждение при атмосферном давлении, отличном от нормального 2.3.1. Используются значения атмосферного давления Н 1 вне корпуса РЭС, мм рт. ст., и атмосферного давления Н 2 внутри корпуса, мм рт. ст. 2.3.2. Определяется способ охлаждения по подразделу 2.2. 2.3.3. Соответственно значениям Н 1 и Н 2 определяются значения поправочного коэффициента η при помощи табл. 3…6. 2.3.4. Определяется эквивалентное значение удельной мощности нагретой q1 = q ⋅ η . зоны: 2.3.5. Осуществляется окончательный выбор способа охлаждения при помощи рис. 4 согласно п.2.1.5, руководствуясь подразделом 2.2. 2.4. Принудительное воздушное охлаждение 2.4.1. Определение массового расхода воздуха. 2.4.1.1. При помощи рис.Б.6.[1,с.231] по значениям q и ∆tдоп (∆tдоп = ∆tc по [1]), найденным в пп.2.1.3. и 2.1.4, определяется величина удельного Таблица 3 Герметизированный блок без наддува Н1 = Н2

η

500

400

300

200

100

80

60

40

20

5

1,083 1,120 1,187 1,256 1,350 1,381 1,406 1,437 1,471 1,510 Таблица 4 Герметизированный блок с наддувом Н1

Н2

500

400

300

200

100

560 460 200 100

1,06 -

1,10 1,11 -

1,13 1,15 -

1,17 1,19 1,26 -

1,25 1,26 1,32 1,35

η

80

60

40

20

5

1,28 1,29 1,35 1,38

1,31 1,31 1,36 1,40

1,33 1,34 1,39 1,42

1,35 1,36 1,41 1,45

1,38 1,39 1,43 1,46

Таблица 5

Перфорированный блок Н1= Н2

η

500

400

300

200

100

80

60

40

20

5

1,07

1,19

1,28

1,36

1,60

1,67

1,76

1,87

2,02

2,17

Таблица 6 Герметический блок с внутренним перемешиванием

ω 1 2 3 4

Н1

500

400

300

200

100

1,05 1,07 1,08 1,09

1,09 1,10 1,12 1,14

1,13 1,16 1,18 1,21

1,22 1,25 1,30 1,34

1,35 1,40 1,46 1,55

η

80

60

40

20

5

1,41 1,48 1,55 1,65

1,47 1,54 1,64 1,74

1,53 1,62 1,72 1,84

1,61 1,70 1,85 1,96

1,73 1,83 2,02 2,16

массового расхода воздуха G/Q с размерностью кг/(с⋅кВт), (в [1] G/Q обозначается через G/P с размерностью кг/(ч⋅кВт)). Рекомендуемая вероятностная оценка: - для стационарной РЭС Р > 0,5; - для передвижной РЭС 0,5 ≤ P < 0,7; - для бортовой РЭС 0,3 ≤ Р < 0,5. 2.4.1.2. Определяется величина массового расхода воздуха, кг/с, ⎛G⎞ G = ⎜⎜ ⎟⎟Q ⋅ 10 −3 , ⎝Q⎠

где Q имеет размерность [Вт]. 2.4.2. Определение аэродинамического сопротивления блока ∆Н, Н/м2. Величина ∆Н определяется с помощью рис.5. Рекомендуемая вероятностная оценка 0,4 ≤ Р < 0,7. 2.4.3. Определение мощности, потребляемой системой охлаждения. 2.4.3.1. При помощи рис.6 определяется величина удельной мощности, потребляемой системой охлаждения. Рекомендуемая вероятностная оценка в зависимости от типа РЭС – согласно п.2.4.1.1. 2.4.3.2. Определяется мощность, потребляемая системой охлаждения, Вт, ⎛N⎞ N = ⎜⎜ ⎟⎟Q . ⎝Q⎠ 2.4.4. Определение G и ∆Н для вентилятора при естественном воздушном охлаждении производится следующим образом: величина G определяется

с учетом подраздела 2.2, а величина ∆Н – п.2.4.2. Величину N для вентилятора определяют по рис.7, используя соотношение W ⋅ H = W ⋅ ∆H =

G ⋅ ∆H , ρB ⋅ n

где n – число вентиляторов; ρв – плотность воздуха, кг/м3, при tocmax; W – производительность вентилятора, м3/с. Воздушное охлаждение блоков с внутренним перемешиванием воздуха и с наружным обдувом, обладающие признаками как естественного, так и принудительного охлаждения, по ОСТ 4 ГО.070.003 условно относят к естественному воздушному охлаждению. 2.5. Определение температуры нагретой зоны tз Для выбранного в подразделе 2.1 способа охлаждения следует определить tз по ОСТ 4 ГО.012.032, используя коэффициентный метод и

Рис.5. Зависимость ∆H от Р для РЭС

Рис. 6. Зависимость N/Q от P для системы охлаждения

Рис. 7. Зависимость lnN = f(lnWH) для вентилятора программы «TEPLO» (принудительное воздушное охлаждение) и «TEPLО1» (естественное воздушное охлаждение), - на ПЭВМ. Естественно, что по приведенному ниже алгоритму можно провести расчеты и «вручную». Примечание. Типовая структурная схема программы теплового расчета приведена в [2], а подробнее с ней можно ознакомиться в дисплейном классе.

Порядок расчета по ОСТ следующий: 2.5.1. Расчет ведется вначале для РЭС с естественным воздушным охлаждением (вне зависимости от выбранного способа охлаждения). 2.5.1.1. Удельная мощность корпуса qк = Q S к . 2.5.1.2. Перегрев корпуса РЭС ϑ к = ϑ ко ⋅ к к ⋅ к н1 , где ϑко – перегрев корпуса РЭС при давлении окружающей среды 0,1 МПа, П

-3 2 -6 3 ϑко =0,1472⋅qк - 0,2962⋅10 qк +0,3127⋅10 qк при 0 < qк ≤ 600 Вт/м2;

кк - коэффициент, учитывающий перфорацию корпуса, П

⎧0,06 К П .......................0 ≤ КП ≤ 0,125 ⎪ К ⎪ 0,88 ⋅ 0,32 П .........0,125 < КП ≤ 0,3 к кП = ⎨ ; КП ⎪ 0,74 ⋅ 0,49 ..............0,3 < КП ≤ 0,6 ⎪⎩ 0,6 ⋅ 0,7 К П ..................0,6 < КП ≤ 1,0

кн1 – коэффициент, учитывающий давление окружающей среды, ⎧1,85 − 0,375 ⋅ 10 −4 Н 1 ...................0,1 < Н 1 ≤ 1333Па ⎪ к н1 = ⎨ 3,72 ⋅ Н 1−0,1 ....................1,333 < H 1 ≤ 2,333 ⋅ 10 4 Па . ⎪ 11,2 ⋅ Н −0, 21 ...........2,333 ⋅ 10 4 < Н ≤ 1,013 ⋅ 10 5 Па 1 1 ⎩

2.5.1.3. Удельная мощность нагретой зоны q3 =

Q , 2 Lкх Lку + ((1 Lкх ) + (1 Lку ))l xl yl z

[

]

где Lкх=Н, Lку=L2, lx и lу – размеры ПП, причем lx =160 мм, а ly =280 мм; lz – расстояние между крайними ячейками в РЭС (см.рис.1). 2.5.1.4. Среднеобъемный перегрев нагретой зоны РЭС ϑ3 = ϑк + (ϑзо − ϑко )к КП кW к Н 2 , где ϑзо – среднеобъемный перегрев нагретой зоны при давлении воздуха внутри РЭС 0,1 МПа и отсутствии внутреннего перемешивания воздуха,

-3 2 -6 3 ϑзо=0,139q3 - 0,1223⋅10 q3 +0,0698⋅10 q3 при 0 < q3 ≤ 800 Вт/м2

Кw – коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха и определяемый в зависимости от кратности обмена воздуха в блоке, GB GB = , Lкх Lку Lкz (1 − к з ) V (1 − к з )

КW = 0,08 +

при 0 <

1 1,09 + 0,162

GB ≤ 13 1/с, V (1 − к з )

GB V (1 − к з )

Gв – производительность вентилятора (Gв=G); Lкх=L1; V – объем блока; K H 2 – коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри РЭС, кН2

⎧1,6 − 0,225 ⋅ 10 −4 Н 2 ...................0,1 < H 2 ≤ 1333Па ⎪ = ⎨2,24 Н 2−0,05 .....................1333 < H 2 ≤ 1,333 ⋅ 10 4 Па ⎪ 6,34 Н −0,16 ............1,333 ⋅ 10 4 < H ≤ 1,013 ⋅ 105 Па 2 2 ⎩

2.5.1.5. Среднеобъемный перегрев воздуха внутри РЭС ϑ + ϑк ϑВ = з . 2

2.5.1.6. Искомые температуры tк, tз, tв. 2.6. Определение количества и типов элементов, температура поверхности которых подлежит расчету (ОСТ 4 ГО.012.004) 2.6.1. Выбор элементов, температура поверхности которых подлежит расчету, производится при помощи графиков: рис.8 в случае естественного воздушного охлаждения и рис.9 в случае принудительного воздушного охлаждения. 2.6.2. Задаются значением вероятности Р того, что температура поверхности любого элемента, не подлежащая расчету, не превысит предельно допустимого значения. Значения вероятности Р принимаются равными 0,99. 2.6.3. В зависимости от способа охлаждения используется рис.8 и рис.9 по значениям ϑз (см. п.2.5.4.1) и Р определяется допустимое значение перегрева ϑ3доп. 2.6.4. Для расчета выбираются элементы, допустимый перегрев поверхности которых ϑдоп < ϑ3доп. 2.6.5. Для блоков с естественным воздушным охлаждением рассчитывается перегрев поверхности любого элемента из каждой группы, для которого справедливо равенство ϑдоп < ϑ3доп. Для блоков с принудительным воздушным охлаждением рассчитываются перегревы поверхностей тех элементов из группы, которые стоят последними по ходу теплоносителя. Примечание. К группе относятся элементы, имеющие одинаковые геометрические размеры и рассеивающие одинаковую мощность. 2.6.6. Для сокращения числа расчетов целесообразно проанализировать конструкцию РЭС по двум направлениям: какие ПП из числа однотипных и какие именно элементы из числа выделенных следует рассчитать. С этой целью необходимо рассмотреть компоновочную схему РЭС,

распределение по ПП и элементам коэффициентов теплоотдачи, а также размещение элементов на ПП. 2.6.7. Может иметь место следующая ситуация. По критерию п.2.6.4 элемент в расчет не попадает, а он является наиболее теплонагруженным. В этом случае необходимо использовать еще один критерий: плотность теплового потока через поверхность корпуса элемента qэл. Так как использование усредненных характеристик для РЭС предполагает вариант

Рис. 8. Зависимость ϑ3доп от ϑз для РЭС с естественным воздушным охлаждением при различных значениях Р

Рис.9. Зависимость ϑ3доп. от ϑз для РЭС с принудительным воздушным охлаждением при различных значениях Р равномерно распределенной мощности в объеме, то следует сравнить qэлi с qз, иначе - воспользоваться графиком (см. рис.4) для элементов. В случае заметного превышения qэлi над qз (уменьшения вероятности обеспечения нормального теплового режима РЭС или даже перехода к другому способу охлаждения) следует ввести и этот i-й элемент в расчет. Примечание. Для дальнейших расчетов целесообразно составить таблицу по прилагаемой форме.

Sэ, м2

qэл, tдоп, оС Вт/м2 элемента

tp, С

о

Θ, о

С

Тип ПП и ее номер

Qэ, Вт

Упорядоченная последовательность элементов

Кол-во элементов, шт.

Наименование элемента

Форма

Примечание: tp – расчетное значение температуры элемента; Θ = tдоп - tp; целесообразно указывать, на какой ПП находится элемент. 2.7. Расчет температуры выделенных элементов (ОСТ 4 ГО.012.032) Расчет теплового режима МС в РЭС при естественном воздушном охлаждении и внутреннем перемешивании воздуха 2.7.1. Условные обозначения: Sэ и Sэо – площади поверхности и основания МС; δэ – зазор между МС иПП; λ1 – коэффициент теплопроводности диэлектрического основания ПП; λэ - коэффициент теплопроводности материала зазора δэ; Vп – объем ПП; tх=lхо и tу=lуо – шаги установки элементов в ячейке; δ э , λ1 , λ э - задаются (выбираются) студентом в зависимости от выбранного варианта установки МС и материала ПП, см. [1, с.216…219]. 2.7.2. Эквивалентный радиус МС R=

S эо

π

.

2.7.3. Параметр m=

2(α к

H2 +αл ) 105

δ П λ экв.

,

где αк и αл - конвективный и лучистый коэффициенты теплоотдачи с поверхности ячейки, (Вт/м2К). В этом случае они принимаются равными αк =4,5, а αл =4,0; λ экв. - по п.2.8.7. 2.7.4. Собственный перегрев корпуса МС

ϑэс = К

А=

⎡ ⎛Н ⎞ ⎢(кα − 4)⎜⎜ 25 ⎟⎟ ⎢⎣ ⎝ 10 ⎠

0,5

Qэ , ⎤ 1 + 4⎥ ( S э − S эо ) + 1 ⎥⎦ А+ В+С

K1 (mR ) δэ С М R m = π λ δ экв n K 0 (mR ) , λ эπR 2 ,

где K – эмпирический коэффициент (рекомендуется принимать K =1,14 для МС, центр которых отстоит от торцов ПП на расстояние меньше 3R, и K =1 для МС, центр которых отстоит от торцов ПП на расстояние более 3R); Kα - коэффициент, учитывающий теплоотдачу от корпусов МС, Вт/(м2К), 23,54 -4 -3 Кα = при 1,8⋅10 ≤ Sэ ≤ 6⋅10 м2, 4,317 + lg S э В=(4,5(Н2/105)0,5+4)πR 2 – при одностороннем и В=0 – при двустороннем расположении МС в ячейке; М=2 – при одностороннем и М=1 при двустороннем расположении МС; Ко(mR) и К1(mR) – модифицированные функции Бесселя второго рода нулевого и первого порядков (табл.7.). 2.7.5. Предельный радиус взаимного теплового влияния, м, 1 rПР = ⎛ ⎞. ⎜ ⎟ K 0 (mR ) + 4 K 0 (2,7mR ) ⎜ m 0,105 m + 0,155 ⎟ ⎜ ⎟ 1 1 + ⎜ ⎟ t t x y ⎝ ⎠ Таблица 7 mr 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Модифицированные функции Бесселя второго рода нулевого и первого порядков К1(mr) Mr Ко(mr) К1(mr) Ко(mr) 2,4271 1,7527 1,3725 1,1145 0,9244 0,7775 0,6605 0,5553 0,4867

9,8538 4,7760 3,0560 2,1844 1,6564 1,3028 1,0503 0,8618 0,7165

3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9

0,02461 0,02196 0,01960 0,01750 0,01563 0,01397 0,01248

0,02812 0,02500 0,02224 0,01979 0,01763 0,01571 0,01400

4,0 4,1

0,01116 0,009980

0,01248 0,01114

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

0,4210 0,3656 0,3185 0,2782 0,2437 0,2138 0,1880 0,1655 0,1459 0,1288

0,6019 0,5098 0,4346 0,3725 0,3208 0,2774 0,2406 0,2094 0,1826 0,1597

2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9

0,1139 0,1009 0,08927 0,07914 0,07022 0,06235 0,05540 0,04926 0,04382 0,03901

0,1399 0,1227 0,1079 0,09488 0,08372 0,07389 0,06528 0,05774 0,05111 0,04529

3,0 3,1 3,2

0,03474 0,03095 0,02759

0,04016 0,03563 0,03164

4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9

0,008927 0,007988 0,007149 0,006400 0,005730 0,005132 0,004597 0,004119

0,009938 0,008872 0,007923 0,007078 0,006325 0,005654 0,005055 0,004521

5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9

0,003691 0,003308 0,002966 0,002659 0,002385 0,002139 0,001918 0,001721 0,001544 0,001386

0,004095 0,003619 0,003239 0,002900 0,002597 0,002326 0,002083 0,001866 0,001673 0,001499

6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5

0,001244 0,001117 0,001003 0,0009001 0,0008083 0,0007259

0,001344 0,001205 0,001081 0,0009691 0,0008693 0,0007793

Окончание табл. 7 mr

Ко(mr)

К1(mr)

Mr

Ко(mr)

К1(mr)

6,6 6,7 6,8 6,9

0,0006520 0,0005857 0,0005262 0,0004728

0,0006998 0,0006280 0,0005636 0,0005059

7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9

0,0004248 0,0003817 0,0003431 0,0003084 0,0002772 0,0002492 0,0002240 0,0002014 0,0001811 0,0001629

0,0004542 0,0004078 0,0003662 0,0003288 0,0002953 0,0002653 0,0002383 0,0002141 0,0001924 0,0001729

8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9

0,00009588 0,00008626 0,00007761 0,00006983 0,00006283 0,00005654

0,0001014 0,00009120 0,00008200 0,00007374 0,00006631 0,00005964

9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7

0,00005088 0,00004579 0,00004121 0,00003710 0,00003339 0,00003006 0,00002706 0,00002436

0,00005364 0,00004825 0,00004340 0,00003903 0,00003512 0,00003160 0,00002843 0,00002559

8,0 8,1 8,2 8,3

0,0001465 0,0001317 0,0001185 0,0001066

0,0001554 0,0001396 0,0001255 0,0001128

9,8 9,9 10,0

0,00002193 0,00001975 0,00001778

0,00002302 0,00002072 0,00001865

2.7.6. Наведенный перегрев для МС N Qэi × ϑэф = ∑ 0,5 ⎡ ⎤ i =1 ⎛H ⎞ ⎢(Kαi − 4 )⎜ 25 ⎟ + 4⎥ (S эi + S эоi ) ⎝ 10 ⎠ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎧ ⎡ ⎤ ⎪ ⎢ ⎥ −1 ( S эi − S эоi ) ⎪ ⎢ δ эi ⎥× × ⎨1 + + 2 0,5 ⎢ ⎥ λ эiπRi ⎛ H2 ⎞ ⎪ (Kαi − 4 )⎜ 5 ⎟ + 4 ⎥ ⎪ ⎢⎣ ⎝ 10 ⎠ ⎦ ⎩ −1

⎡ K (mRi ) ⎤ ⎫ K1 (mri ) × ⎢ Bi + MπRi λ эквδ n m 1 ⎥⎬ K 0 (mRi ) ⎦ ⎭ K 0 (mRi ) , ⎣ где i – индекс, относящийся к МС, установленной на одной ПП с рассчитываемой, для которой ri ≤ rпр; Вi=(4,5(Н2/105)0,5+4)πRi2 – при одностороннем и Вi=0 – при двустороннем расположении МС. 2.7.7. Перегрев корпуса МС относительно базовой температуры ϑэ = ϑВ + ϑэс + ϑэф . 2.7.8. Температура корпуса МС t э = to + ϑэ . 2.7.9. Перегрев воздуха для МС относительно базовой температуры ϑВЭ = ϑэ − ϑэс . 2.7.10. Температура воздуха для МС t ВЭ = to +ϑ ВЭ . Расчет теплового режима дискретных ЭРЭ в РЭС с естественным охлаждением и внутренним перемешиванием воздуха 2.7.11. Условные обозначения: Мэ – определяющий размер ЭРЭ; остальные обозначения, см.п.2.7.1. 2.7.12. Среднеобъемный перегрев нагретой зоны РЭС ϑз и среднеобъемный перегрев воздуха ϑв по пп.2.5.1.1…2.5.1.5. 2.7.13. Удельная мощность дискретного ЭРЭ

Qэ . Sэ 2.7.14. Лучистый коэффициент теплоотдачи ЭРЭ qэ =

⎛ 0,5(0,04qэ + ϑ з + to + ϑ B + to ) ⎞ α л = ε 0,227⎜ ⎟ , 100 ⎠ ⎝ 3

где ε – степень черноты поверхности корпуса ЭРЭ, см. [1 с.217]. 2.7.15. Конвективный коэффициент теплоотдачи ЭРЭ: при 0,04qэ ≤(840/Мэ103)3 α к = 1,324 0,04 ⋅ q э М э Н 2 10 5 , при 0,04qэ >(840/Мэ103)3 α к = 0,062q э Н 2 10 5 . Примечание. Для ЭРЭ, имеющих форму шара, в качестве определяющего размера принимают диаметр ЭРЭ, форму горизонтально ориентированного цилиндра – максимальный диаметр ЭРЭ, форму параллелепипеда и вертикально ориентированных цилиндров – вертикальный размер. 2.7.16. Перегрев корпуса ЭРЭ Qэ ⎧ + ................................при 0,04q э > (ϑ з − ϑ В ) ϑ В ⎪⎪ (α л + α к ) S э ϑэ = ⎨ . Q + α л (ϑ з − ϑ В − 0,04q э ) S э ⎪ϑ В + э ......при 0,04q э < (ϑ з − ϑ В ) ⎪⎩ αк Sэ Примечание. Если Qэ=0, принимать ϑэ равным перегреву воздуха около ближайшего нижерасположенного тепловыделяющего ЭРЭ или МС. 2.7.17. Температура корпуса ЭРЭ t э = to + ϑэ . 2.7.18. Перегрев воздуха для ЭРЭ ϑВЭ = 0,67ϑВ . 2.7.19. Температура воздуха для ЭРЭ t ВЭ = to + ϑВЭ . Расчет теплового режима МС в ЭРЭ при принудительном воздушном охлаждении 2.7.20. Условные обозначения: х – расстояние от торца ПП до центра рассчитываемой МС в направлении движения воздуха (см. рис. 2); Nп – количество ПП в РЭС; nx – количество МС в сечении воздушного зазора между ячейками на расстоянии х; Остальные обозначения см. пп.2.7.1. и 2.7.11.

2.7.21. Площадь свободного сечения воздушного зазора между ячейками fлс на расстоянии x nx

f лс = (l y + 2 f )∆ n − ∑ lэyi lэzi . i =1

2.7.22. Эквивалентный диаметр воздушного зазора между ячейками

d экв =

2 f лс nx

l y + ∆ n + ∑ lэzi

.

i =1

2.7.23. Перегрев воздуха для рассчитываемой МС при приточной вентиляции

ϑ ВЭ =

( N n + 1)(∑ Qэi + QВ ) i

;

1000G

при вытяжной вентиляции ( N n + 1)∑ Qэi i ϑВЭ = . 1000G Примечание. При суммировании Qэ учитывают мощность всех МС и ЭРЭ, расположенных перед рассчитываемой МС по направлению воздушного потока в том же зазоре между ячейками. 2.7.24. Температура воздуха для рассчитываемой МС t вэ = t o + ϑВЭ . 2.7.25. Значение критерия Рейнольдса Gd экв Re = µf лс ( N n + 1) , где µ - коэффициент динамической вязкости воздуха при tвэ, Па·с. Примечание . µ=νρ, где ν - кинематический коэффициент вязкости, м 2 /с, см.[1, с.218]. 2.7.26. Коэффициент теплоотдачи в воздушном зазоре между ячейками, в котором установлена рассчитываемая МС: - с МС в прямоугольных корпусах со штыревыми выводами: λ α 1 = 0,29 В Re 0,5 , при Re≤103 d экв где λв – коэффициент теплопроводности воздуха при температуре tвэ, Вт/(м·К), [1, с.218]; λ α1 = 0,037 В Re 0,8 ; при 103 < Re ≤ 104 d экв

- с МС в цилиндрических корпусах:

α1 = 0,39

при Re ≤ 103

λВ d экв

Re 0,5 ,

α1 = 0,051

при 103 < Re ≤ 104

λВ d экв

Re 0,8 ;

- с МС в прямоугольных корпусах с планарными выводами: λ α1 = 0,25 В Re 0,5 , при Re ≤ 2·103 при 2·103 < Re ≤ 104

d экв λ α1 = 0,026 В Re 0,8 ; d экв

- для воздушных зазоров, в которых МС и ЭРЭ отсутствуют: d ⎞ ⎜⎜ Re экв ⎟⎟ α1 = 1,4 d экв ⎝ lx ⎠

λВ ⎛

при 10 < Re < 104 при 10 ≤ Re < 5⋅10 4

6

α1 = 0,021

λВ

0, 4

,

Re 0,8 .

d экв 2.7.27. Коэффициент теплоотдачи α2 в воздушном зазоре, примыкающем к обратной стороне ячейки с рассчитываемой МС, определяется по пп.2.7.21, 2.7.22, 2.7.25, 2.7.26. 2.7.28. Параметр m: - при одностороннем расположении МС α1 + α 2 + 8 m= , δ n λэкв - при двустороннем расположении МС 2(α1 + 4) m= . δ n λэкв Примечание. Величина R определяется по п.2.7.2, λ экв - по п.2.8.7. 2.7.29. Собственный перегрев корпуса МС ϑэс =

Qэ (α1 + 4)( S э − S эо ) +

1

δэ 1 + 2 K (mR ) λ эπR B + MπRλ эквδ n m 1

,

K 0 (mR)

где В=(α2+4)πR2 – при одностороннем расположении МС, а В = 0 - при двустороннем. 2.7.30. Предельный радиус взаимного теплового влияния для МС rпр определяется по п.2.7.5. 2.7.31. Наведенный перегрев для МС

Qэi

N

ϑ эф = ∑

× ⎧⎪ ⎡ δ эi ( S эi − S эоi ) −1 ⎤ + (α 1 + 4)( S э − S эо )⎨1 + ⎢ ⎥ 2 α1 + 4 ⎦ ⎪⎩ ⎣ λ эiπRi , K 0 (mri ) 1 × ⎡ K 1 (mRi ) ⎤ ⎫ K 0 (mRi ) π λ δ B M R m + i экв n ⎥⎬ ⎢ i K 0 (mRi ) ⎦ ⎭ ⎣ i =1

где i – индекс, относящийся к МС, установленным на одной ПП с рассчитываемой, и для которых ri ≤ rпр; Bi = 0 – при двустороннем и Вi=(α2+4)πRi2 – при одностороннем расположении МС. 2.7.32. Температура корпуса МС t э = t ВЭ + ϑэс + ϑэф . Расчет теплового режима ЭРЭ в РЭС при принудительном воздушном охлаждении 2.7.33. Условные обозначения: l ′ – половина максимального периметра ЭРЭ по направлению движения воздуха; остальные обозначения см. пп. 2.7.1, 2.7.11 и 2.7.20. Примечание. В качестве элемента берется ЭРЭ, а при расчетах перегревов учитываются все элементы: МС и ЭРЭ. 2.7.34. Площадь свободного сечения воздушного зазора между ячейками f лс на расстоянии х определяется по п.2.7.21. 2.7.35. Критерий Reэ для ЭРЭ Gl ′ Re э = . µf лс ( N n + 1) 2.7.36. Коэффициент теплоотдачи для ЭРЭ

α э = 0,8

λВ

Re0Э,5 .

l′ 2.7.37. Перегрев воздуха для ЭРЭ определяется по п.2.7.23. 2.7.38. Перегрев корпуса ЭРЭ Q ϑэ = ϑВЭ + э . α э Sэ 2.7.39. Температура корпуса ЭРЭ t э = t о + ϑэ . 2.7.40. Средний перегрев воздуха на выходе из РЭС: при приточной вентиляции Q + QВ ϑВ = , 1000G

при вытяжной вентиляции Q ϑB = . 1000G 2.8. Учет наличия теплопроводных шин 2.8.1. После пункта 2.5.1.5 определяют тепловую проводимость от микросборки (МС) к корпусу блока через воздух внутри блока σ K σK

⎛ ⎜ 4,5 ⎜ = ⎝ ⎛ ⎜ 4,5 ⎜ ⎝

⎞ H2 ⎟(2A y + A x )∆ n ⋅ K α (S э − S эо ) 4 + ⎟ 10 5 ⎠ , ⎞ H2 + 4 ⎟⎟(2A y + A x )∆ n + K α (S э − S эо ) 5 10 ⎠

где Kα - коэффициент, учитывающий теплоотдачу от корпусов микросборок (МС), Вт/(м²·К) (определяют по графику, приведенному на рис. 10). 2.8.2. Определяют тепловую проводимость от микросборки (МС) к корпусу блока по теплопроводной шине σ ш , рис. 12, 13.

σш =

σ ст F ⋅ λ 2 ⋅ f ш λ 2 ⋅ f шσ ст F + λ 2 ⋅ f ш + σ ст ⋅ F ⋅ A 1 λ 2 ⋅ f ш + σ ст ⋅ F ⋅ A 2 ,

где σ ст - удельная тепловая проводимость контакта теплопроводной шины с корпусом блока, Вт/(м²·К): при отсутствии прижима ячеек к корпусу блока рекомендуется принимать σ ст = 270 Вт/(м²·К); при наличии прижима ячеек к корпусу блока σ ст рекомендуется определять по графику, приведенному на рис. 11; f ш - площадь поперечного сечения теплопроводной шины, м 2 ; F – половина площади кондуктивного теплообмена теплопроводной шины с корпусом блока, м 2 ; λ 2 - коэффициент теплопроводности материала теплопроводной шины, Вт/(м⋅к). Примечание. При отсутствии теплопроводных шин в ячейке σ ш = 0. 2.8.3. Определяют отношение тепловых проводимостей D σ D= К . σш 2.8.4. Если D > 0,25, дальнейший расчет выполняют в порядке, установленном в пп.2.8.7, 2.7.2…2.7.10.

РИС. 10. ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА

Kα

ОТ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА

МИКРОСБОРКИ (МИКРОСХЕМЫ)

Рис. 11. Зависимость удельной тепловой проводимости контакта теплопроводной шины с корпусом блока от усилия прижатия ячейки к корпусу блока. 1 – контакт медной теплопроводной шины с алюминиевым корпусом блока; 2 – контакт алюминиевтеплопроводной шины с алюминиевым корпусом блока

Рис. 12. Схематическое изображение ячейки с теплопроводными шинами: 1 – рассчитываемая микросборка, микросхема; 2 – микросборка, микросхема, окружающая рассчитываемую и установленная с ней на одной теплопроводной шине; 3 – печатная плата; 4 – теплопроводная шина; 5 – корпус блока

Рис. 13. Топология микросборок на теплопроводной шине ячейки: 1 – рассчитываемая микросборка; 2 – микросборка, окружающая рассчитываемую микросборку и установленная с ней на одной теплопроводной шине; 3 – печатная плата; 4 – теплопроводная шина; 5 – корпус блока 2.8.5. Если D ≤ 0,25, дальнейший расчет выполняют в порядке, установленном в пп. 2.8.8…2.8.10.

2.8.6. Если D = ∞ , дальнейший расчет выполняют в порядке, установленном в пп. 2.7.2 – 2.7.10, принимая в качестве λэкв коэффициент теплопроводности диэлектрического основания печатной платы λ1 . 2.8.7. Определяют эквивалентный коэффициент теплопроводности ячейки λэкв 2λ1 λ V λэкв = (1 − А) +А 2 ш, V 2 VП 1− ш VП где S ш ,Vш - площадь (м 2 ) и объем (м 3 ) теплопроводных шин на ПП; V П - объем ПП, м 3 ; A – коэффициент, учитывающий установку теплопроводных шин в ячейке: при установке теплопроводных шин с одной стороны печатной платы S A= ш ; A xA y при установке теплопроводных шин с двух сторон печатной платы S A= ш . 2A x A y Примечание. При отсутствии теплопроводных шин λэкв = λ1 . 2.8.8. Определяют собственный перегрев корпуса микросборки (МС) ϑэс ϑэс =

Qэ . σк +σш

2.8.9. Определяют наведенный перегрев для микросборки (МС) ϑэф (рис.12 и 13) ⎡⎛ σ ст A i ⎞ σ ст xi ⎤ ⎟⎟ − ⎢⎜⎜1 + ⎥ Nш λ λ2 ⎦ Qэi ⎝ 2 ⎠ ⎣ ⋅ ϑэф = ∑ , ⎛ σ ст A i ⎞ i =1 σ кi + σ шi ⎜⎜1 + ⎟⎟ λ ⎝ 2 ⎠ где N ш - число микросборок (МС), установленных на одной теплопроводной шине с рассчитываемой; i – индекс, относящийся к микросборкам (МС), установленным на одной теплопроводной шине с рассчитываемой. 2.8.10. Определяют перегрев корпуса микросборки (МС) относительно базовой температуры ϑ э и температуру ее корпуса t э :

ϑ э = ϑ к + ϑ эс + ϑ эф ,

tэ = tо + ϑэ .

2.9. Оценка соответствия теплового режима РЭС нормальному 2.9.1. Для элементов, у которых расчетным путем найдена температура поверхности tpi, определяется разность температур, оС

Θ i = tiдоп − t pi , где tiдоп – допустимое значение температуры поверхности элемента по ТУ, оС; i – число групп элементов, для которых проводился расчет теплового режима, i = 1, n . 2.9.2. Если хотя бы у одного элемента Θi < 0, то тепловой режим РЭС является неудовлетворительным и следует принять конструктивные меры для обеспечения нормального теплового режима. Правильность принятых мер необходимо подтвердить расчетом. 2.9.3. Если для всех n элементов справедливо неравенство Θi ≥ 0, то составляется упорядоченная последовательность Θ1 ≤ Θ2 ≤ ... ≤ Θn. 2.9.4. Определяется вероятность одновременного выхода из строя первых трех элементов упорядоченной последовательности Р(t1доп
Значение функции Ф(0,1Θ)

Θ 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ф(0,1Θ) 0,500 0,539 0,579 0,618 0,655 0,691 0,726 0,758 0,788

Θ 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Ф(0,1Θ) 0,864 0,885 0,903 0,919 0,933 0,945 0,955 0,964 0,971

Θ 21 22 23 24 25 26 27 28 29

Ф(0,1Θ) 0,982 0,986 0,989 0,991 0,994 0,995 0,996 0,997 0,998

9 10

0,816 0,841

20

0,977

30

0,999

Задание 2 Для составления заключения о целесообразности применения заданной конструкции радиатора большого элемента в указанных условиях эксплуатации необходимо выполнить расчет температуры поверхности охлаждения и сравнить её с Тд. Методика решения этой задачи излагается на лекциях. Порядок расчета при естественной конвекции пластинчатого радиатора с вертикально расположенными ребрами заключается в следующем. 2.10.1. Задаемся величиной суммарного коэффициента теплообмена α ′ =10Вт/( м 2 ⋅ К ), который учитывает передачу тепла конвекцией и излучением. 2.10.2. Определяем величину коэффициента эффективности ребра ξ ′ по формуле th(mh) ξ= , mh m = 2 ⋅ α (λδ ) ; th(x) - гиперболический тангенс от аргумента где

e x − e−x . x, равный th( x ) = x e + e−x 2.10.3. Находим величину коэффициента теплопередачи: 1 K ′ = −1 . α +δ /λ 2.10.4. В первом приближении определяем температуру поверхности охлаждения: Т ′ = Р ( К ′ξ ′S ) + Tc . 2.10.5. Определяем среднюю температуру теплоносителя (воздуха): Т ′ + Тс Т ср = . 2 2.10.6. Находим величину суммарного коэффициента теплообмена α ′′ и коэффициента теплопередачи K ′′ во втором приближении: 0,5 λТ ⎡ Н ⎤ α к = Nu ⎢ α ′′ = α к + α л ; ⎥ ; l0 ⎣ 760 ⎦

⎡⎛ Т 1 ⎞ 4 ⎛ Т 2 ⎞ 4 ⎤ α л = 5,67ε (Т 1 − Т 2 ) ⎢⎜ ⎟ ⎥; ⎟ −⎜ 100 100 ⎝ ⎠ ⎦⎥ ⎝ ⎠ ⎣⎢ −1

[

]

⎧ 1,4 (1 + 0,113 A) 2 + 0,33 A − (1 + 0,113 A) ...при А < 7 ⎪ Nu = ⎨ 0,64 + 0,023 A........................................при 7 ≤ А < 20 ⎪0,5 А............................................................при А ≥ 20 ⎩ 2 K ′′ =(α−1+δ/λ)−1; Gr=g(δ)3( T ′ -Tc)β/ ν ; А=Grl0/D, где λТ – коэффициент теплопроводности теплоносителя; Т1=Т; Т2=Тс; l0=b/2; g=9,8 м/с2; ν - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя; β - коэффициент объемного расширения (для газа β=1/Тср), Nu – число Нуссельта. 2.10.7. Уточняем величину коэффициента эффективности ребра ξ ′′ во втором приближении. 2.10.8. Определяем температуру поверхности охлаждения во втором приближении T ′′ . 2.10.9. Повторяем расчет по пп.2.10.5…2.10.8 до выполнения условия Т п +1 − Т п 100 < η , Тп

где η - величина погрешности расчета. В работе следует выполнить три приближения. 2.10.10. Сравнить полученную температуру поверхности охлаждения с допустимой Т д . Порядок расчета при принудительном воздушном охлаждении для штыревого радиатора аналогичен вышеизложенному для пластинчатого радиатора. Однако в нем имеются следующие отличия. За температуру охлаждающего воздуха принимается средняя в пределах теплоотдающей поверхности температуры воздуха Р Т В = Т ср = Т с + 2с р G , где ср – удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении; Т с – температура охлаждающего воздуха на входе в элемент. При постоянстве параметров воздуха на входе в элемент имеем практически постоянное значение величины αк, что приводит к необходимости использования последовательных приближений для определения только величины αл. В свою очередь, значение величины αк определим как 0,5 Nu ⋅ λT ⎡ H ⎤ αк = ⎢ ⎥ , d

⎣ 760 ⎦

где числа Нуссельта и Рейнольдса:

Nu=0,21Re0.65 , Re = Vd ν , а скорость воздуха в узком сечении канала находится как V = Vвх [1 + d (S1 − d )] . Коэффициент эффективности штыря определим по формуле th( mh) 4α ξ= m= , . mh λd Средняя температура охлаждающей поверхности штыревого радиатора равна T=

P + TВ . KξS

При решении задачи следует обратить внимание на то, что величины ν , λТ , ср зависят от температуры теплоносителя. Численные значения этих параметров в функциях от температуры приведены в [1, с.218]. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Задание 1 Для выполнения расчетной части работы Вам необходимо разработать следующие графические документы: - компоновочный эскиз каждого типа ПП (по заданию в каждой работе используются ПП двух типов), выполненный в масштабе 1:1, предпочтительно на миллиметровой бумаге. На этих эскизах должны быть обозначены центры корпусов МС, нанесены все компоновочные размеры как ПП, так и элементов, номер элемента (например: 2.10 – второй ряд, десятый элемент). Кроме этого, напротив каждого ряда элементов должна быть представлена информация по этому типу элементов: тип корпуса; Q э ; t доп ; S э ; S эо . При компоновке ПП следует руководствоваться следующим правилом: после установки элементов первого ряда второй ряд элементов устанавливается по оси Х с шагом установки первого ряда; третий – с шагом второго ряда и т.д. - компоновочный эскиз прибора с установленными в нем ПП. На нем должна быть информация – где и какая по типу ПП установлена; введена нумерация ПП (от 1 до 7); прописан каждый элемент, установленный на ПП. При этом надо исходить из следующих соображений: любой удобный масштаб; платы могут устанавливаться в любом порядке; первый ряд элементов самый

нижний (естественное воздушное охлаждение) или первый по ходу теплоносителя и перпендикулярный его направлению (принудительное воздушное охлаждение); минимальное расстояние от верхней поверхности элементов до корпуса не должно быть меньше 20 мм, что приводит к появлению до 3-х различных проходов для воздуха размером: 20 мм, 30 мм и 40 мм (см. рис. 1 и 2) - эскизы выполняются в виде рисунков Задание 2 Привести эскиз радиатора в изометрии или в проекциях и проставить на нем геометрические размеры, используемые в расчетах. 3. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗЛОЖЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ, ПОРЯДКУ ЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЦЕНЗИИ И ЗАЩИТЫ 3.1. Содержание отчета 3.1.1. Исходные данные в произвольной форме, эскизы, расчеты, листинги, выводы. 3.1.2. Пояснительная записка оформляется на листах формата А4 и включает: титульный лист; «содержание» с указанием листов, соответствующих перечисленным разделам; расчетную часть; выводы; приложения. 3.1.3. Расчетная часть должна соответствовать заданию (студенческому шифру) и содержать решение задач по заданиям 1 и 2. 3.1.4. Листинги должны иметь комментарии в тексте, на них можно и следует наносить поясняющую информацию. 3.2. Порядок представления работы для получения рецензии и защиты 3.2.1. Выполненная и оформленная работа представляется на кафедру для проверки и получения рецензии. В случае успешного решения студент должен по результатам рецензии провести коррекцию работы (если таковые замечания имеются) и подготовиться к защите. Защита включает проверку знаний как теоретического материала, на основе которого проводились расчеты, так и проверку практических действий по решению конкретной задачи. В случае неудовлетворительного решения (или неполного) студент на основе рецензии обязан повторить (или дополнить) решение задачи (той же самой или новой) и повторно представить работу на рецензию.

Особо следует обратить внимание, что после проверки ни один лист из работы не может быть изъят, в том числе содержащий ошибки или неточности.

4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник. – М.: Высш. школа, 1984. 2. Парфенов Е.М. и др. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие. – М.: Радио и связь, 1989. 3. ОСТ 4 ГО.012.004. Аппаратура радиоэлектронная. Критерии оценки тепловых режимов. – 1973. 4. ОСТ 4 ГО.070.003. Аппаратура радиоэлектронная. Системы охлаждения. Выбор способа охлаждения. – 1972. 5. ОСТ 4 ГО.012.032. Аппаратура радиоэлектронная. Блоки на микросборках, микросхемах и дискретных электрорадиоэлементах. Методы расчета тепловых режимов. – 1980.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………... 3 1. ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ ……………………………. 4 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ ………………………………………..…. 12 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ………………………………………...…. 12 ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ……………………………………….. 41 3. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗЛОЖЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ, ПОРЯДКУ ЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЦЕНЗИИ И ЗАЩИТЫ ……………………………………….. 42 4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………. . 43

Редактор И.Н.Садчикова Сводный темплан 2004. ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 ОТ 21.11.2003 г. _______________________________________________________________ Подписано в печать 2.03.2004. Формат 60×84 1/16 Б.кн. – журн. П.л. Бл. РТП РИО СЗТУ Тираж Заказ ______________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5