CC BY
72
УДК 681.518
Горячев Н.В. , Граб И.Д.,Юрков Н.К.
Пензенский государственный университет
УТОЧНЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ СМЕННОГО БЛОКА ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА
Аннотация: За счет введения поправочного коэффициента, учитывающего суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом системы охлаждения с окружающей средой, уточнена тепловая модель сменного блока исследуемого объекта содержащего систему охлаждения радиокомпонента.
Ключевые слова: СБИО, ИИЛК, система охлаждения, тепловая модель, натурные исследования, теплоотвод, радиатор, охлаждение.
В работе [1] предложена тепловая математическая модель (ММ) используемая при исследовании систем охлаждения (СО) радиоэлектронных средств (РЭС) и радиокомпонентов входящих в их состав. Фактически модель построена по известной методике изложенной, например в [2] и позволяет вычислить температуры перегрева в любой точке тепловой схемы охлаждения радиокомпонента, в том числе температуру перегрева теплоотвода. Модель реализована в виде компьютерной программы, описание которой приведено в [3]. В ходе серии экспериментальных исследований, задачей которых было определение температуры перегрева СО полупроводникового радиокомпонента, выявлено расхождение между результатами экспериментального исследования реальной СО и результатами исследования математической модели. Числовые значения обоих экспериментов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Расхождение между экспериментальным и вычислительным исследованием
Температура т °с Температура Тн , °С ТС° тн , °С Расхождение,
38.5 33,19 5,31 13,8
48 41,37 6,63 13,8
51,5 43,64 7,86 15,2
56,5 48,3 8,2 14,5
60 51,72 8,28 13,8
63,5 54,74 8,76 13,8
67 57,76 9,24 13,8
Экспериментально исследуемая СО была установлена в закрытом сменном блоке, а для вычислительного эксперимента использовались паспортные данные СО и радиокомпонента. Обработка экспериментальных данных производилась с помощью комплекса описанного в [4].
Анализируя возможные пути возникновения полученного расхождения, и прежде всего учитывая известный факт о влиянии кожуха РЭС [2] на температуру охлаждающей системы, авторами выдвинута гипотеза о возможном влиянии на результат экспериментального исследования СО, корпуса сменного блока. Отметим, что актуальность поставленной цели по выявлению причины расхождения обуславливается несколькими обстоятельствами. Адекватность результатов экспериментального исследования наиболее важна при работе СО в температурном режиме, который близок к критическому для охлаждаемого радиокомпонента. В этом случае неточность приведет к превышению нормального температурного режима радиокомпонента, что с большой долей вероятности повлечет температурный пробой компонента. Также, легко предположить, что расхождение показанное в таблице 1 может ввести конструктора в заблуждение, т.к. не имея точных данных о состоянии СО он будет использовать систему с избыточными массогабаритными показателями, т.е. применит СО с большей чем требуется площадью или необоснованно применит принудительную конвекцию.
Именно поэтому крайне важно выявить и устранить причину расхождения результатов, что скажется на качестве процесса теплофизического проектирования РЭС, в ходе которого используются результаты экспериментального исследования реальной СО.
Для проработки выдвинутой гипотезы СО и измерительные элементы были вынуты из корпуса сменного блока (рисунок 1).
Рисунок 1. СО без корпуса сменного блока
Результаты эксперимента для СО без корпуса сменного блока приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Расхождение между экспериментальным и вычислительным исследованием, для СО установленной вне корпуса сменного блока
Температура Т , без корпуса сменного блока, ОС Температура Тн , ОС 1 Тсо - Тн 1 , ОС Расхождение, %
33 33,19 0,19 0,5
41,5 41,37 0,13 0,3
43,5 43,64 0,14 0,3
48 48,3 0,3 0,6
51,5 51,72 0,22 0,4
54,5 54,74 0,24 0,4
57,5 57,76 0,26 0,4
При сравнении результатов показанных в таблице 2 видно, что реальные расхождения не превышают 0,5ОС и фактически определяется погрешностью примененных цифровых датчиков температуры. Исходя из полученных результатов следует, что предложенная авторами гипотеза о влиянии корпуса сменного блока верна. Дальнейший анализ полученных результатов приводит к следующему заключению. При проведении вычислительного эксперимента с предложенной в [1] ММ, в качестве температуры окружающей среды Тл указывается температура помещения, в котором проходит исследование. В
тоже время, при экспериментальном исследовании фактически ТА это температура, которая установилась в корпусе сменного блока и как видно из исследования она выше температуры в помещении. По мнению авторов именно это обстоятельство и приводит к неточности определения с помощью ММ температуры перегрева СО установленной в сменный блок. Нетрудно предположить, что для исправления сложившейся ситуации необходима корректировка ММ с целью учета реальной температуры внутри сменного блока. Лобовым решением этой проблемы является установка в корпусе дополнительного измерительного элемента фиксирующего фактическое значение температуры в корпусе сменного блока. Однако это повлечет за собой усложнение аппаратной части сменного блока и необходимость разработки аппарата осуществляющего передачу значения Т сменного блока в программу обеспечивающею вычислительный эксперимент. Между тем напомним, что в сменном блоке происходит измерение температуры непосредственно СО и согласно тепловой схеме лежащей в основе ММ, связывающим элементом между температурой СО Т и Т в сменном блоке, является тепловое сопротивление СО - окружающая среда Яцн-А ■ Это обстоятельство позволяет использовать Яцн-А для корректировки значения температуры СО полученной в ходе вычислительного эксперимента построенного на основе ММ. Для этого необходимо ввести коэффициент, корректирующий должным образом тепловое сопротивление СО. Фактически такой коэффициент получен авторами эмпирически при проведении серии экспериментов с СО установленной в сменном блоке. Т.к. коэффициент корректирует ,
следовательно, он учитывает суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом системы охлаждения с окружающей средой. На рисунке 2 показана эмпирически полученная зависимость поправочного коэффициента дш от температуры СО.
ТЛ,аД'С80 т-------
0 -I-------
3,08 3,5 4 4,2 4,25 4,35 4,5
дкл
Рисунок 2 - Зависимость поправочного коэффициента от диапазона температур
Таким образом, в ходе серии экспериментальных исследований эмпирически получен поправочный коэффициент учитывающего суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом
системы охлаждения с окружающей средой.
В результате применения поправочного коэффициента, удалось скорректировать результаты полученные в ходе вычислительного эксперимента. Пользуясь моделью [1] и полученным коэффициентом температуру перегрева теплоотвода определяется как:
Тн - р' (^ен- А' Чем ) + ТА
Проведенная серия экспериментов учитывающих поправочный коэффициент показала корректность его использования для СО установленной в корпусе сменного блока. Результаты экспериментов, учитывающих поправочный коэффициент дКм , объединены с результатами предыдущих экспериментов и представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Расхождение между экспериментальным и вычислительным исследованием
Температура Тсо , ОС Тн - Р • Квн-А + ТА , °С Тн - Р •( Квн-А • ЧКМ )+ ТА , °С Чкм Расхождение,
38.5 33,19 38,86 3,08 0,7
48 41,37 6,63 3,5 0,8
51,5 43,64 7,86 4 0,4
56,5 48,3 8,2 4,2 0,7
60 51,72 8,28 4,25 0,8
63,5 54,74 8,76 4,35 0,4
67 57,76 9,24 4,5 0,3
Итак, введение поправочного коэффициента в ММ предложенною в [1], позволяет учесть влияние корпуса сменного блока на температуру перегрева СО. Как видно из приведенных в таблице 1 и 3 данных, в среднем удалось скорректировать конечный результат на 13,5%. Предложенная коррекция результатов вычислительного эксперимента, по нашему мнению, будет максимально полезна при исследовании работы СО в режиме, когда температура охлаждаемого элемента близка к максимально допустимой для этого прибора.
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горячев Н.В. Тепловая модель сменного блока исследуемого объекта / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2012. Т. 1. С. 263-263.
2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. "Конструир. и произв. радиоаппарартуры". - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с.
3. Горячев Н.В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадио-компонента и его теплоотвода / Н.В. Горячев, А.В. Лысенко, И.Д. Граб, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2012. Т. 1. С. 340-340.
4. Горячев Н.В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотво-дов электрорадиоэлементов / Н.В. Горячев, А.В. Лысенко, И.Д. Граб, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2012. Т. 2. С. 239-240.
