CC BY
45
Комплексный критерий оптимальности системы обеспечения теплового режима радиоэлектронных средств
Громов И.Ю., Кожевников А.М.
Кафедра ИТАС, Московский государственный институт электроники и математики
При проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС), особенно бортовых, сталкиваются с серьезными проблемами, основные из которых:
• увеличение требований к надежности при ужесточении условий эксплуатации;
• снижение стоимостных параметров (массогабаритных, ценовых, энергопотребления и т.д.) при одновременном увеличении количества выполняемых функций;
• уменьшение сроков морального старения и, соответственно, необходимость сокращать сроки проектирования новых изделий.
Необходимость разработки новой информационной технологии вытекает из следующих соображений: исходя из требований нормативно-технической документации по тепловым режимам, нужно на как можно более ранних этапах проектирования оптимально выбрать тип конструкции, тип системы охлаждения, элементную базу и режимы электрорадиоизделий (ЭРИ) РЭС, обеспечивающие необходимую надежность РЭС. Указанный выбор должен исключить ошибки в проектировании на более поздних этапах.
Повышение качества автоматизированного проектирования РЭС должно состоять в нахождении оптимальных проектных решений, обеспечивающих заданную надежность с учетом всего комплекса влияющих на надежность эксплуатационных факторов при минимальных затратах на реализацию этих решений.
Анализ современных РЭС показал [1], что, с точки зрения оценки тепловых режимов, они характеризуются следующими основными особенностями:
1. Имеют высокие удельные характеристики теплонапряженности. Для отдельных устройств, таких, например, как источники вторичного электропитания удельная мощность может достигать 800 Вт/дм .
2. Происходит повышение требований к показателям надежности, качества и ресурсу.
Все ЭРИ, которые входят в состав РЭС, должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим ЭРИ считается нормальным, если выполняются два условия: 1) температура ЭРИ в условиях эксплуатации находится в пределах диапазона температур, допустимых для данного ЭРИ; 2) температура ЭРИ должна обеспечивать его работу с заданной надежностью. Обеспечение нормального теплового режима является одной из главных задач, решаемых при проектировании РЭС. Как правило, меры, применяемые для обеспечения нормального теплового режима ЭРИ и РЭС, приводят к увеличению габаритных размеров и массы конструкции, а также дополнительным затратам электроэнергии. Вследствие этого необходимо найти оптимальное решение, компромиссное между необходимостью обеспечить нормальный тепловой режим ЭРИ и недопустимостью значительного увеличения потребления энергии, стоимости, массы, габаритов и т. д. Обоснование применяемых мер может быть получено путем оптимального проектирования системы обеспечения тепловых режимов проектируемой аппаратуры с соответствующим выбором средств обеспечения необходимого теплового режима каждого ЭРИ.
В настоящее время основным показателем надежности ЭРИ с точки зрения их теплового режима является нахождение рабочей температуры ЭРИ в диапазоне, регламентируемом изготовителем, т.к. статистические показатели влияния их температуры на надежность отсутствуют.
Предлагаемый критерий оптимальности предназначен для систем обеспечения теплового режима мобильных РЭС. За основу берётся воздушный тип системы, как наиболее применимый для описанного класса РЭС. Для обеспечения теплового режима ЭРИ РЭС в указанном типе конструкций используются специальные термоэлементы: термобатареи на эффекте Пельтье, тепловые трубы, а также локальные радиаторы, вентиляторы и теплоотводящие шины [2]. Элементы Пельтье используются как микро-, так и макро-типа. Тепловые трубы ограничиваются компактными стандартным круглым и плоским типами. В отдельных случаях используются термосифоны со специальными теплонасосами. Применяются также различные типы радиаторов и всевозможные типы нагнетателей (вентиляторов) - как вдувающие, так и выдувающие.
В качестве критерия оптимальности предлагается минимум целевой функции Б:
/п
ттЕ^)= ¿гн I
1=\
Тн. I кнТдн, I
\2
Т
дн, 1
/п
+¿гвХ
1=1
Т — кТ
1в, I в дв , I
Т
2
2
т (
1=1
ЧЕтт + К I
а
2
т ( С\
1=1
с
+К I
т ( р
1 I-
1=1
НЛ
к Р
ЛНД1 НЗ,1
р
НЗЛ
где: д- параметры элементов системы; т - количество ЭРИ с применением средств обеспечения теплового режима; ХТН, ХТВ, Хд, Хс, ХР- весовые коэффициенты важности обеспечения нижнего и верхнего температурного режима ЭРИ, уменьшения
и гр гр гр гр
потребляемой мощности, стоимости и надежности соответственно; 1нд, !дн,ь !в,ь 1двд
- температуры 1 - го ЭРИ: нижняя расчетная, нижняя допустимая, верхняя расчетная, верхняя допустимая соответственно; д;, д0д - мощности: потребляемая для обеспечения теплового режима 1-го ЭРИ и выделяемая им соответственно; С;, С0,; -стоимости: необходимая для обеспечения теплового режима 1-го ЭРИ и самого 1-го ЭРИ соответственно, РНд, РНд,з - надежности расчетная и заданная 1-го ЭРИ, кн, кв, кнд
- коэффициенты запаса для нижнего и верхнего температурного режима и надежности РЭС соответственно.
Если стоимость обеспечения теплового режима (температуры воздуха в блоке или на группе элементов одним средством: СТв и температур ЭРИ: С^) выразить в
виде сТ , то стоимость его реализации будет:
т
СТ = СТ,в + I С1.
Решение этой задачи минимизации сводится к многошаговому процессу последовательного приближения к минимуму в оптимальном направлении и позволяет включить в процесс оптимизации параметры индивидуальных средств обеспечения теплового режима ЭРИ (радиаторы, теплоотводы, элементы Пельтье и т.п.).
Стоимость 1-го индивидуального средства обеспечения теплового режима ЭРИ примем в виде полинома: Си1 = + виЛ ■ Яи1, где Яи1 - параметр индивидуального
1=1
средства (сопротивление радиатора, расход энергии, ценовая стоимость и т.п.), е%г - коэффициенты полинома.
Математически оценка степени целесообразности изменения параметра с целью минимизации стоимости определяется на текущем шаге оптимизации путем выделения параметра эффективности gu или gT , показывающего соотношение между изменением стоимости и изменением критерия оптимальности при изменении параметра:
• для индивидуального средства обеспечения теплового режима:
8 и, i
Ru,í dF Л
1F дК, J
RUÍ д C u,i Л
\ ч Cu,i dR ,i J
• для теплового режима блока (увеличение/уменьшение температуры в блоке или на группе элементов одним средством):
(т_ дРЛ
^ дТ)
8т í ™ л
T ,в
T дс1 дт
Ст
где T - температура воздуха в блоке, Ci - стоимость i - го ЭРИ соответственно; Ru,i - стоимость и параметр индивидуального средства обеспечения теплового режима соответственно.
На каждом шаге оптимизации анализируется, изменение какого параметра тепловой модели наиболее эффективно влияет на уменьшение критерия оптимальности.
В процессе минимизации F, выбор очередного варьируемого параметра производится по максимальному значению относительных коэффициентов параметрической чувствительности F к изменению параметра, т.к. при этом будет наибольшее изменение F при наименьшем изменении параметра. Под изменяемым параметром понимаются характеристики средств обеспечения тепловых режимов элементов (производительность вентиляторов, тепловые сопротивления радиаторов и тепловых труб, мощность элементов Пельтье и т.д.).
При автоматизированном решении проектной задачи по выбору типа и начальных параметров системы обеспечения теплового режима ЭРИ (при эскизном конструировании) используется макромодель теплообмена в РЭС, в которой для каждого тепловыделяющего ЭРИ имеются все возможные способы обеспечения теплового режима (кондукция, конвекция, радиатор, элемент Пельтье и т.п.), но с указанием для каждой ветви теплообмена зависимости ее стоимости от величины проходящего по ней теплового потока или теплового сопротивления. Также в макромодель вводится площадь корпуса РЭС, с которым происходит конвективный, кондуктивный или лучистый теплообмен и параметры средств теплообмена. Стоимость этих средств зависит от площади корпуса, мощности вентилятора и параметров других средств теплообмена соответственно. Затем в процессе оптимизации отбрасываются наименее эффективные ветви теплоотводов, т.е. в которых для уменьшения F необходимо затратить относительно большую стоимость на ветвь теплоотвода.
Аналогичная, но более детальная, макромодель теплообмена строится после разработки проекта конструкции РЭС для уточнения параметров системы обеспечения теплового режима.
Список литературы
1. Кожевников А.М. Методы оптимального проектирования бортовых радиоэлектронных средств на основе моделирования их электрических, тепловых и механических режимов" Методы оптимального проектирования бортовых радиоэлектронных средств на основе моделирования их электрических, тепловых и механических режимов/ Дисс. докт. техн. наук. - М.: МИЭМ, 2005. - 261с.
2. Г.Н. Дульнев. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. Москва, Высшая школа, 1984.
