CC BY
54
Критерий оптимальности системы обеспечения теплового режима радиоэлектронных средств
А.М.Кожевников, Ю.О.Шмидт 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, 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, 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 используются специальные термоэлементы: термобатареи на эффекте Пельтье, тепловые трубы, а также локальные радиаторы, вентиляторы и теплоотводящие шины. Элементы Пельтье используются как микро-, так и макротипа. Тепловые трубы ограничиваются компактными стандартным круглым и плоским типами. В отдельных случаях используются термосифоны со специальными теплонасосами. Применяются также штырьковый и игольчатый типы радиаторов и всевозможные типы нагнетателей (вентиляторов) - как вдувающие, так и выдувающие.
В качестве критерия оптимальности предлагается минимум целевой функции
Б:
г
ттКд) = Лтн £
¡=1
Тн
,1 т зн1,1
г
+1тв£
V т зн 0
;,г т звл
+хР £
V Тзв^ 0
^ Л
V Р0Л 0
2 X \2
+1с £
л л
С
V с°у 0
где д- параметры элементов системы; т - количество ЭРИ с применением средств обеспечения теплового режима; ХТН, ХТВ, Хр, - весовые коэффициенты важности обеспечения нижнего и верхнего температурного режима ЭРИ, уменьшения потребляемой мощности и стоимости соответственно; Тнд, Тзнд, Твд, Тзвд -температуры 1 - го ЭРИ: нижняя расчетная, нижняя заданная, верхняя расчетная, верхняя заданная соответственно; Р;, Род - мощности, потребляемая для обеспечения теплового режима 1-го ЭРИ и выделяемая им соответственно; С;, С0д - стоимости, необходимая для обеспечения теплового режима 1-го ЭРИ и самого 1-го ЭРИ соответственно.
В процессе минимизации Б, выбор очередного варьируемого параметра производится по максимальному значению относительных коэффициентов параметрической чувствительности Б к изменению 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 решении проектной задачи по выбору начальных параметров системы обеспечения теплового режима ЭРИ (до эскизного конструирования) 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 или параметров других средств теплообмена соответственно.
Аналогичная, но более детальная, макромодель теплообмена строится после разработки эскизного проекта конструкции РЭС для уточнения параметров системы обеспечения теплового режима.
2
2
¡=1
