Научная статья на тему 'Температурное поле одиночного канала в радиоэлектронном блоке кассетной конструкции'

Температурное поле одиночного канала в радиоэлектронном блоке кассетной конструкции Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
36
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Исмаилов Т.А., Юсуфов Ш.А.

В статье приведена математическая модель распределения теплового поля одиночного канала, образованного двумя электронными платами, в радиоэлектронном блоке кассетной конструкции. Приведены результаты расчетов в виде графиков зависимостей температуры плат от скорости потока, ширины зазора, а так же от суммарной мощности и расположения источников тепловыделений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Исмаилов Т.А., Юсуфов Ш.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Температурное поле одиночного канала в радиоэлектронном блоке кассетной конструкции»

ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ОДИНОЧНОГО КАНАЛА В РАДИОЭЛЕКТРОННОМ БЛОКЕ

КАССЕТНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Т.А.Исмаилов, Ш.А.Юсуфов Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

Микроминиатюризация элементов в составе аппаратуры радиоэлектронных систем (РЭС) сопровождается в настоящее время незначительным повышением энергетических показателей. Повышение удельных тепловых потоков, которые необходимо отвести в окружающую среду, для обеспечения требуемого температурного режима РЭС ставит новые задачи перед конструкторами РЭС. Статистические исследования [1] показали, что при повышении температуры на каждые 10 0С в диапазоне 40-80 0С надежность радиоэлектронной аппаратуры в среднем уменьшается на 25 %.

Радиоэлектронные системы рассматриваются как системы многих тел с сосредоточенными источниками тепловой энергии. Анализ температурных полей таких систем является сложной задачей, и, как правило, решение выполняется приближенными методами.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили две группы тепловых моделей РЭС [2]. Характерной особенностью моделей первой группы является разделение всех поверхностей модели РЭС на отдельные условно изотермические участки. Во второй группе тепловых моделей нагретая зона РЭС, представляющая собой неоднородную систему многих тел, идеализируется в виде однородного тела. Свойства этого тела характеризуются эффективными значениями коэффициентов теплопроводности Я и теплоемкости с. В тепловой модели нагретая зона - однородное анизотропное тело с распределенным по объему источником энергии.

Кассетные конструкции РЭС являются на сегодняшний день наиболее распространенным типом, и применяются при проектировании устройств на дискретных и интегральных элементах, которые размещаются на одинаковых монтажных платах (кассетах) с одной или обеих сторон.

Различные тепловые модели аппаратов, нагретая зона которых образована совокупностью кассет, делятся на три группы, учитывая при этом основной механизм переноса тепла в радиоэлектронном устройстве.

К первой группе можно отнести все радиоэлектронные устройства, нагретая зона которых образована совокупностью горизонтально ориентированных кассет.

Ко второй группе относят все радиоэлектронные устройства, нагретая зона которых образована системой вертикально ориентированных кассет, расположенных в герметичном корпусе. Средний поперечный разрез между поверхностями деталей и соседней кассетой превышает 2-3 мм и давление газа внутри устройства более 10 мм. рт. ст. В зазорах между кассетами, нагретой зоной и герметичным корпусом теплообмен за счет конвекции.

В третьей группе устройств между нагретой зоной и корпусом отсутствует зазор и при этом роль корпуса могут выполнять рамки, полностью или частично охватывающие каждую кассету. Перенос тепла от центральной части нагретой зоны к поверхности осуществляется кондукцией по твердым частям системы и излучением через воздушные прослойки.

Тепловой режим блока кассетной конструкции существенно зависит от теплофизических процессов, протекающих в одиночном канале, образованном двумя электронными платами. Поэтому при анализе теплового режима блока в целом, уместно прежде рассмотреть процессы, протекающие в одиночном плоском канале.

Вследствие сложности теплофизических процессов, примем определенные допущения: поток теплоты распространяется только в направлении х, а в направлениях у и г отсутствует. Канал шириной Ь ограничен стенками, толщина которых 5 равна половине толщины кассеты (рис.1). В каждой стенке имеются равномерно распределенные источники энергии, объемная плотность теплового потока которых qи, температура стенок ( температура воздуха в канале Температура воздуха на входе в канал 4х.

q й

200

161

120

80"

40

■— Ь=0.00

- Ь=0.01

........... Ь=0.02

0

0,6

1,2

1,

2,4

3 V, м/с

Рис. 2 Зависимость температуры платы от скорости воздушного потока при различной

Рис.1 Схема одиночного канала ширине Ь между платами.

Выделим в канале элементарный объем ёУ=5£2бх и составим уравнение баланса:

(д2 - д'2)+ = йд,

(1)

где q1 - суммарный тепловой поток в рассматриваемом объеме; q2 - тепловой поток, вошедший в элементарный объем; q2 - тепловой поток, вышедший из элементарного объема; dq3 - мощность источников в элементарном объеме.

В первом приближении изменение теплового потока в стенке в направлении оси х описывается двумя членами разложения q2 в ряд Тейлора:

Ч2 = Ч2 - •

ах

На основании закона Фурье определим q:

йч а ( „ ] „ д2г„

йх йх

у йх у

= л-

дх2

Плотность источников энергии dqз определяется как:

йЧз = чи Ц,&ь.

Тепловой поток q1 определяется на основании закона Ньютона-Рихмана:

йЧ1=®ы (с- *г ,

(2)

(3)

(4)

(5)

где аМ - местный коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху на расстоянии х от

входа.

Подставляя значения слагаемых уравнения (1) и тождественных преобразований

получаем:

d 2t _а

dx2

ÄS

(t,- f )=- %

Ä

(6)

Составим теперь уравнение энергетического баланса для половины элементарного объема УЬгЪп воздушного потока, движущейся со скоростью V: поток dq¡ - приходящий к среде от поверхности ^^х стенки канала идет на изменение энтальпии dq4 воздуха в элементарном объеме, т.е.

dql = dqA = с 0.5bdt(. (7)

После преобразований получаем дифференциальное уравнение для температурного поля среды:

с скЬ dtf

и 4 ■

■t .

(8)

2а dx

В силу ограничений, принятых по условию задачи температура потока на входе в канал равна 4х:

„ = t . (9)

f | х=0 ех \ у

Уравнения 1, 6, 8, 9 описывают одномерное стационарное поле температур в стенках канала, жидкости или газа и является замкнутой. Чтобы решить данную систему необходимо исключить одну из температур: температуру жидкости или температуру стенок канала. Для этого продифференцируем по х все члены уравнения 6 и подставим в получившееся уравнение значение dt/dx из 9, а вместо разности tm-tf значение из 6 ив результате получим дифференциальное уравнение третьего порядка относительно tm:

d 3t

+

2а d 2t а dt

+

2qu а

dx3 c pvb dx2 ÄS dx c pvbÄ

= 0

(10)

Решение данного уравнения приведено в [2], поэтому приведем окончательный

результат:

t -1

(1+ —)

^2R— + 0.5 Rа

R

——^ = — eßlix --—— eß2x + x +

q R ß A R

In , r 1 r 2 x

—eßix -(1 + —)eß2x +1 + x],

tf -1

f вх

q R

In ,

2R

где:

— =

1 - e

ß2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

R

, ß =-(1 -JKr),

(11)

eß2 - eßl' " R

ß2=-R— 1+Jk;) Kr=RR

x

x =

L

qn - полная мощность, рассеиваемой одной кассетой толщиной 25, и следовательно одной стенкой рассматриваемого канала (толщиной 5) рассеивается мощность 0,5 qn;

Ra - тепловое сопротивление потоку от стенки канала к жидкости, которое

определяется как Ra = (aLXxLX2) 1;

>

А

Ях - тепловое сопротивление потоку вдоль кассеты, и определяется как К = х

L Ж

х

' ' х А 5

12

Я0} - тепловое сопротивление потоку, переносимому жидкостью от входа в канал до выхода, и равное К = Ср рЬ ;

Т, "С 200

-Г-

0,6

— а=50

....... а=100

■■- а=150 а=200

40

"I-

1,2

1-

1,8

"I-

2,4

т

Т, 0С

3028,5 -2725,5 -

24

1—

0,0

-|—

0,1

0,1

т-

0,2 x, м

3 V, м/с

Рис. 4 Распределение температуры платы Рис. 3 Зависимости температуры платы вдоль потока жидкости при различных от скорости воздушного потока при суммарных мощностях источников различной суммарной мощности тепловыделений. источников тепловыделений.

0

На рис. 2 - 4 приведены графики зависимостей температуры стенок электронной платы, образующей стенку канала и протекающему по нему потоку воздуха от скорости потока воздуха при различной ширине канала и суммарной мощности тепловыделений, а также температурное поле стенки канала в зависимости от скорости потока и координаты x, полученные в результате моделирования процессов, протекающих в одиночном канале в среде Mathcad версии 7.0 Pro.

Библиографический список:

1. Роткоп Л.Л., Гидалевич В.Б., Гунн Л.А., Максименко В.Д. Оценка влияния тепловых режимов в РЭА на ее надежность. - "Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО", 1972, вып.1.

2. Дульнев Г.И. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.