CC BY
112
УДК 621.396.6.017:004.942
Крищук В. Н.1, Шило Г. Н.2, Каспирович Н. А.3, Огренич Е. В.4
1Канд. техн. наук, професор, Запорожский национальный технический университет, Украина 2Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, Украина 3Аспирант, Запорожский национальный технический университет, Украина 4Асистент, Запорожский национальный технический университет, Украина
ОПТИМИЗАЦИЯ ОРЕБРЕННОГО КАНАЛА В СИСТЕМАХ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РЭА
Рассмотрена возможность использования оребренного канала, как упрощенной модели для анализа тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры кассетного типа с высоким удельным тепловыделением при принудительном воздушном охлаждении.
Исследованы тепловые характеристики оребренного канала. Получены соотношения для оптимальных размеров конструкции оребренного канала, которые позволяют минимизировать тепловое сопротивление. Разработан итерационный алгоритм оптимизации.
Показан пример проектирования оребренного канала с оптимальным тепловым режимом. В результате оптимизации конструкции оребренного канала тепловое сопротивление уменьшилось на 35 %.
Ключевые слова: оребренный канал, тепловая модель, тепловое сопротивление, принудительное воздушное охлаждение, системы инженерного анализа, радиоэлектронная аппаратура.
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение теплового режима является одной из важных задач, возникающих при проектировании радиоэлектронной аппаратуры. Особенно эта задача становится актуальной для мобильной радиоэлектронной аппаратуры кассетного типа, которая характеризуется высоким удель -ным тепловыделением [1, 2]. В радиоэлектронной аппаратуре кассетного типа используется плотное размещение однотипных блоков. Примером такой конструкции может послужить твердотельный передатчик [3]. Чаще всего такие устройства требуют принудительного воздушного охлаждения и оребрения поверхности наиболее теплонагруженных блоков. Поэтому тепловую модель конструкции можно представить в виде оребренно-го канала с принудительным воздушным охлаждением.
В литературе рассмотрены методы оптимизации параметров оребрения поверхностей при естественном воздушном охлаждении, позволяющие минимизировать массу [4]. Такие методы основаны на применении упрощен -ных аналитических формул и не позволяют оптимизировать параметры при принудительномм воздушном охлаждении. В качестве еще одного способа оптимизации используется физическое моделирование [5], которое характеризуется значительной трудоемкостью и материальными затратами.
Последние годы для решения задач теплового проектирования используются программные средства инженерного анализа [6, 7]. В радиоэлектронной аппаратуре такой подход позволил значительно повысить точность методов оптимизации конструкций герметичных блоков РЭА [8] и параметров ребристых радиаторов [9] с естественным воздушным охлаждением.
Целью работы является исследование тепловых характеристик оребренного канала при принудительном воздушном охлаждении с использованием средств инженерного анализа и разработка метода оптимизации оребрен-ного канала.
© Крищук В. Н., Шило Г. Н., Каспирович Н. А., Огренич Е. В., 2014 34 БОТ 10.15588/1607-3274-2014-2-5
Для достижения поставленной цели необходимо для оребренного канала решить следующие задачи:
- создать тепловую модель,
- исследовать тепловые характеристики,
- определить оптимальные соотношения конструктивных параметров,
- разработать алгоритм оптимизации.
1 ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРЕБРЕННОГО КАНАЛА
Исследования тепловых характеристик модели ореб-ренного канала проводились с использованием модуля инженерного анализа системы автоматизированного проектирования Solid Works. При построении тепловой модели в системе инженерного анализа были приняты следующие ограничения:
- коэффициент теплопроводности материала не зависит от температуры;
- боковые стенки оребренного канала адиабатические;
- для обеспечения принудительного охлаждения на вход подается постоянный воздушный поток на расстоянии 100 мм, который задается объемным расходом воздуха;
- мощность задавалась на внешние поверхности основания оребренного канала.
Тепловая модель оребренного канала состоит из двух устройств. Трехмерная модель канала представлена на рис. 1 , где показаны конструктивные элементы канала: 1 - основание, 2 - оребрение. Габаритные размеры устройств: H - высота канала, L - длина канала и D - ширина канала. Стрелкой показано направление воздушного потока.
Площадь поперечного сечения оребренного канала показана на рис. 2, где dp - толщина основания канала; lk - расстояние между устройствами в канале; dr - толщина ребра; l г - высота ребра.
р-ЕЗБЫ 1607-3274. Радюелектронжа, шформатика, управлiння. 2014. № 2 е-ЕЗБЫ 2313-688Х. Каёю Е1еойоп^, Сошриег Баепое, Сопйо1. 2014. № 2
Рисунок 1 - Тепловая модель оребренного канала
I I I I
II
и1к ^ 1А-1
Рисунок 2 - Поперечное сечение оребренного канала
Моделирование проводилось для канала, который имел параметры: длина канала - 100 мм, высота канала -50 мм, ширина канала - 50 мм, расстояние между устройствами 10 мм. Рассеиваемая мощность - 50 Вт. Температура окружающей среды 50°С.
Исследовали зависимость максимальной температуры канала от параметров оребрения: длина ребра, ширина ребра, количество ребер. Габаритные размеры канала: высота, длина, ширина не изменялись.
Результаты моделирования представлялись в виде тепловых характеристик зависимостей теплового сопротивления от параметров оребрения.
Зависимость теплового сопротивления канала от количества ребер представлено на рис. 3, где Я1 - тепловое сопротивление, п - количество ребер.
Тепловое сопротивление определяется с помощью выражения:
/ - / ^ шах 'с
Р
(1)
где ¿шах - максимальная температура в канале; 1С - температура окружающей среды; Р - рассеиваемая мощность.
Как видно из рис. 3, эта тепловая характеристика имеет экстремум, что позволяет провести оптимизацию количества ребер. Для тепловых характеристик такого вида можно использовать математическую модель в виде:
(п) _ gl • п +
п
где gl, g2 - коэффициенты модели.
(2)
Для определения коэффициентов модели составили систему уравнений в двух точках графика, расположенных по разные стороны от области минимума. Решение системы представляется в виде соотношений:
а _ т - % •—, х2 х2
а2 _ (Щк-1) • Х(к-1)
2 2
• (х(к-1)К (х(к-1)) .
--) ^(1--(3)
Х2 (Х2)2 . (3)
Зависимость теплового сопротивления оребренного канала от толщины ребра представлено на рис. 4. Эта характеристика также имеет экстремум. Математическая модель этой характеристики аналогична виду (2) и имеет подобные выражения для определения коэффициентов.
Предложенные тепловые модели могут быть использованы для оптимизации оребренного канала.
Зависимость теплового сопротивления от длины ребра имеет монотонно-убывающий вид (рис. 5).
В процессе проектирования канала длина ребра выбирается максимально возможной с целью получения наименьшего значения теплового сопротивления.
К'Вт" я,
0 10 20 30 шт.
Рисунок 3 - Зависимость теплового сопротивления канала от количества ребер
К/Вт
1,2 -
0.8
0.4 -
Я,
2 к- 1 1
-1-н-
0
1
Рисунок 4 - Зависимость теплового сопротивления канала от толщины ребра
К/Вт 1=2 Н
0,8
0,4
0
Л,
о
10
20
30 мм.
Рисунок 5 - Зависимость теплового сопротивления канала от длины ребра
2 ОПТИМИЗАЦИЯ ОРЕБРЕННОГО КАНАЛА
Исследование тепловых характеристик оребренного канала показало, что выбором каналов можно существенно снизить перегревы устройств. Оптимизация параметров оребренного канала производится для целевой функции:
Rt (n, dr ) ^ min. (4)
В процессе оптимизации учитывались ограничения на размеры канала:
HH L=Lk> D=Dt
где Hfc , Lk , Dk - номинальные значения конструктивных параметров, полученные на этапе проектирования устройства.
При этих ограничениях высота ребер определяется с помощью соотношений
1 = J (D - lk - 2 • dp ).
(5)
Математическая модель (2) позволяет определить оптимальное количество ребер с помощью соотношения:
(6)
Аналогично определяется оптимальное значение толщины ребра. Это позволяет при оптимизации параметров оребренного канала использовать последовательный итерационный алгоритм, в котором проводится оптимизация одного из параметров, а результаты этой оптимизации используются при оптимизации следующего параметра.
Шаг 1. - Задаются начальные значения: длины ребра, количества ребер и толщины ребра. С помощью моделирования определяется тепловое сопротивление ореб-рения канала по заданной мощности и допустимому перепаду температур.
Шаг 2. - Моделируются тепловые режимы канала при изменении оптимизируемого параметра на величину ± 20 % и определяются коэффициенты g1 и g2.
Шаг 3. - Определяется оптимальное значение параметра.
Шаг 4. - Устанавливается оптимальное значение параметра.
Шаг 5. - Повторяем шаг 2, 3 для следующего параметра.
Шаг 6. - Проверяется условие завершения алгоритма:
Rty
(к) - Rb (k -1)
д
Rt
д
где к - номер итерации; е - погрешность вычислений.
Если условие не выполняется, то переход на шаг 2, иначе - конец алгоритма.
3 ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Разработанный алгоритм использован для оптимизации оребренного канал, параметры которого приводятся ниже.
Мощность канала P = 50 Вт, температура окружающей среды tc = 50 °C, коэффициент черноты поверхности теплоотвода 0,91, погрешность вычислений алгоритма оптимизации соответствует е = 0,05.
В качестве начального приближения при оптимизации были выбраны размеры оребренного канала: n=10, l= = 10мм и dr=1 мм. Результаты оптимизации конструкций оребренного канала приведены в табл. 1.
Проведенная оптимизация показала, что после 9 итерации была достигнута требуемая точность, тепловой режим улучшен, тепловое сопротивление уменьшилось на 35%.
ВЫВОДЫ
Предложенный метод оптимизации оребренного канала с использованием современных систем автоматического проектирования позволяет реализовать допустимый тепловой режим работы устройства. Процедура оптимизации реализована в виде итерационного алгоритма. Алгоритм обладает достаточно высокой сходимостью.
Сравнение величины теплового сопротивления исходного оребренного канала и полученного в результате оптимизации показало, что оптимизация приводит к улучшению теплового режима, а тепловое сопротивление уменьшилось на 35 %.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена в рамках выполнения научно-исследовательской темы Запорожского национального технического университета «Информационные технологии проектирования теплонагруженных радиоэлектронных аппаратов» (номер гос. регистрации 0113U001096).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ненашев А. П. Конструирование радиоэлектронных средств / А. П. Ненашев.- М. : Высш. шк., 1990. - 432 с.
2. Дульнев Р. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре / Р. Н. Дульнев. - М. : Высш.шк., 1984. - 247 с.
3. Пат. 13704 Украша, МПК G01S 7/36 H04B 15/00. Пристрш для подавлення пасивних завад / Каспирович О. Г., Лаврентьев В. М., Май I. Д., Пресняк I. С.; заявник та патен-товласник КП «НВК «1скра» № u200509636; заяв.13.10.2005; опубл.17.04.2006, Бюл. № 4, 2006.
4. Ройзен Л. И. Теловой расчет оребренных поверхностей / Л. И. Ройзен, И. Н. Дулькин; под. ред. В. Г. Фастовского. -М. : Энергия, 1977. - 256 с.
Таблица 1 - Параметры оребренного канала
n =
№ итерации 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
n, шт. 10 15 15 18 21 22 22 23 24 24
dr, мм. 1 0,9 0,7 0,6 0,49 0,4 0,3 0,35 0,27 0,24
Rt, "C/Вт 1,071 0,7086 0,7656 0,7462 0,7252 0,711 0,701 0,688 0,687 0,683
p-ISSN 1607-3274. Радюелектронжа, шформатика, управлiння. 2014. № 2 e-ISSN 2313-688X. Radio Electronics, Computer Science, Control. 2014. № 2
5. Drofenik U. Analysis of Theoretical Limits of Forced-Air Cooling Using Advanced Composite Materials With High Thermal Conductivities / U. Drofenik, A. Stupar, J.W. Kolar // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. - 2011. - Vol. 1, № 4. -Р. 528-535.
6. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в Solid Works Simulation / А. А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2010. -464 с.
7. Гончаров П. С. Практическое использование NX / П. С. Гончаров, М. Ю. Ельцов, С. Б. Коршиков, И. В. Лаптев, В. А. Осиюк. - М. : ИД ДМК Пресс, 2010. -504 с.
Крищук В. М.1, Шило Г. М.2, Каспирович Н. О.3, Огренич С. В.4
1Канд. техн. наук, проф., Запорiзький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша
2Канд. техн. наук, доцент, Запорiзький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша
3Астрант, Запорiзький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша
4Асистент, Запорiзький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша
ОПТИМ1ЗАЦ1Я ОРЕБРЕНОГО КАНАЛУ В СИСТЕМАХ ПРИМУСОВОГО ПОВГГРЯННОГО ОХОЛОДЖЕННЯ РЕА
Розглянуто можливють використання оребреного каналу, як спрощенно! моделi для аналiзу теплових режимiв радюлектрон-но! апаратури касетного типу з високим питомим тепловидшенням при примусовому пов^рянному охолодженш.
Дослщжено тепловi хараеткристики оребреного каналу. Отримано стввщношення для оптимальних розмiрiв конструкци оребреного каналу, якi дозволяють мiнiмiзувати тепловий опiр. Розроблено iтерацiйний алгоритм оптимiзащi.
Наведено приклад проектування оребреного каналу з оптимальним тепловим режимом. В результат оптимiзацli конструкци оребреного каналу тепловий отр зменшився на 35 %.
Ключовi слова: оребрений канал, теплова модель, тепловий отр, примусове пов^ряне оохолодження, системи шженерного аналiзу, радiоелектронна апаратура.
Krischuk V. N.1, Shilo G. N.2, Kaspyrovych N. A.3, Ogrenich E. V.4 1Ph.D, Professor, Zaporozhye National Technical University, Ukraine 2Ph.D., Associate Professor, Zaporozhye National Technical University, Ukraine 3Postgraduate student, Zaporozhye National Technical University, Ukraine 4Assistant, Zaporozhye National Technical University, Ukraine
FINNED CHANNEL OPTIMIZING IN RADIO ELECTRONIC DEVICES FOR FORCED AIR COOLING SYSTEMS
The finned channel is used as a simplified model for the analysis of thermal conditions of cartridge design electronic equipment with a high power density for forced air cooling. The finned channel thermal model and method of its creating are described by the computer-aided engineering systems. Clearance limitations of the radio electronic units and the manufacturing limitations on width of fins and their numbers are considered during creating the thermal model.
The finned channel thermal characteristics that include the thermal resistance dependence on parameters of fins (width, length, number) are investigated. The approximating functions for these dependencies are proposed.
To minimize the thermal resistance the correlations for finned channel having the optimal sizes are obtained. The iteration optimization algorithm is developed. This approach provides high accuracy. In the algorithm the thermal conditions are calculated by the computer-aided engineering systems.
The example of designing the finned channel with optimal thermal conditions is showed. As a result of optimizing the finned channel thermal resistance decreased by 35 %.
Keywords: finned channel, thermal model, thermal resistance, forced air cooling, computer-aided engeneering systems, electronic equipment.
REFERENCES
1. Nenashev A. P. Konstruirovanie radioelektronnyih sredstv. Moscow, Vyissh. shk., 1990, 432 p.
2. Dulnev R. N. Teplo- i massoobmen v radioelektronnoy apparature, Moscow, Vyissh. shk., 1984, 247 p.
3. Kaspirovich O. G., Lavrentev V. M., May I. D., Presnyak I. S. Pat. 13704 Ukrayina, MPK G01S 7/36 H04B 15/00. Pristrly dlya podavlennya pasivnih zavad ; zayavnik ta patentovlasnik KP «NVK «Iskra». No. u200509636; zayav.13.10.2005; opubl.17.04.2006, Byul. No. 4, 2006.
4. Royzen L. I., Dulkin I. N. pod. red. V. G. Fastovskogo Telovoy raschet orebrennyih poverhnostey. Moscow, Energiya, 1977, 256 p.
5. Drofenik U., Stupar A., Kolar J. W. Analysis of Theoretical Limits of Forced-Air Cooling Using Advanced Composite
8. Гапоненко Н. П. Оптимизация объема герметичных блоков радиоэлектронной аппаратуры / Н. П. Гапоненко, О. В. Сиротюк, Е. В. Огренич, Ю. А. Лопатка, Е. К. Арешкин // Прикладная радиоэлектроника. - 2012. -Т. 11, № 3. - С. 155-158.
9. Шило Г. Н. Проектирование радиаторов с оптимальными массогабаритными параметрами / Г. Н. Шило, Н. П. Гапоненко, Е. В. Огренич // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2011. - № 1-2. -С. 30-33.
Статья поступила в редакцию 21.05.2014.
После доработки 28.05.2014.
Materials With High Thermal Conductivities, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, 2011, vol. 1, No. 4, pp. 528-535.
6. Alyamovskiy A. A. Inzhenernyie raschetyi v Solid Works Simulation. Moscow, DMK Press, 2010, 464 p.
7. Goncharov P. S., Eltsov M. Yu., Korshikov S. B., Laptev I. V., Osiyuk V. A. Prakticheskoe ispolzovanie NX. Moscow, ID DMK Press, 2010, 504 p.
8. Gaponenko N. P., Sirotyuk O. V., Ogrenich E. V., Lopatka Yu. A., Areshkin E. K. Optimizatsiya ob'ema germetichnyih blokov radioelektronnoy apparaturyi, Prikladnaya radioelektronika, 2012, Vol.11, No. 3, pp. 155-158.
9. Shilo G. N., Gaponenko N. P., Ogrenich E. V. Proektirovanie radiatorov s optimalnyimi massogabaritnyimi parametrami, Tehnologiya i konstruirovanie v elektronnoy apparature, 2011, No. 1-2, pp. 30-33.
