Содержание к диссертации
Введение
1. Основные направления повышения эффективности процесса проектирования устройств и комплексов РЭС на основе методов конструктивно-теплового синтеза 14
1.1. Основные задачи и процедуры теплового проектирования устройств и комплексов РЭС. 14
1.2. Методы и средства и теплового проектирования в современных САПР РЭС 24
1.3. Цель и задачи исследования 44
2 Разработка математического обеспечения процедур конструктивно-теплового синтеза РЭС 46
2.1. Структура и состав проектных процедур и математического обеспечения процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС 46
2.1.1. Состав и структура проектных процедур и математических моделей и алгоритмов конструктивно-теплового синтеза РЭС 46
2.1.2. Формирование комплекса унифицированных тепловых модел конструкций РЭС для решения задач конструктивно-теплового синтеза 51
2.2. Математические модели систем охлаждения и процессов теплопередачи в конструкциях РЭС 58
2.3. Математические модели тепловых процессов и температурных полей в конструктивных единицах РЭС различных уровней иерархии 62
2.3.1. Математические модели тепловых процессов в блоках и стойках 62
2.3.2. Математические модели тепловых процессов в узлах и моду лях РЭС 64
2.3.3. Математические модели процесса теплоотдачи компонентов 65
2.4. Основные выводы второй главы 67
3. Методы и алгоритмы решения задач обеспечения и оптимизации тепловых режимов при проектировании конструкций РЭС 68
3.1. Методика и алгоритм синтеза системы охлаждения и комплекса тепло отводящих устройств при конструкторском про ектировании РЭС 68
3.2. Математические модели и алгоритмы параметрического синтеза теплоотводящих устройств 72
3.3 Оптимизация систем охлаждения и тепловых характеристикконструкций РЭС 79
3.3.1. Оптимизация структуры построения и характеристик системы охлаждения РЭС 79
3.3.2. Оптимизация тепловых характеристик при компоновке блоков РЭС 84
3.4. Основные выводы третьей главы 87
4. Разработка программного обеспечения автоматизированного комплекса конструктивно- теплового синтеза РЭС 88
4.1. Структура и возможности программного обеспечения автоматизированного комплекса конструктивно-теплового синтеза РЭС 88
4.2. Применение разработанных средств при тепловом проектировании конструкций РЭС 102
4.3. Основные выводы четвертой главы ИЗ
Заключение 114
Литература
- Методы и средства и теплового проектирования в современных САПР РЭС
- Состав и структура проектных процедур и математических моделей и алгоритмов конструктивно-теплового синтеза РЭС
- Математические модели и алгоритмы параметрического синтеза теплоотводящих устройств
- Применение разработанных средств при тепловом проектировании конструкций РЭС
Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени такие основные направления развития радиоэлектронных средств (РЭС), в том числе применяемых в сфере связи и телекоммуникаций, как повсеместный переход на цифровые методов обработки сигналов и постоянное повышение производительности цифровых устройств; широкое применение в качестве элементной базы быстродействующих БИС и СБИС с высоким энергопотреблением; реализация и использование систем на кристалле; миниатюризации конструкций и увеличение плотности компоновки на всех уровнях конструктивной иерархии; расширение области использования и эксплуатации современных радиоэлектронных устройств в различных, в том числе весьма жестких, внешних условиях привели к резкому росту удельных тепловых потоков и усилению тепловых воздействий, что поставило задачи обеспечения тепловых режимов в число наиболее важных в процессе проектирования РЭС. Поэтому обязательной частью процесса проектирования современных устройств и комплексов связи и телекоммуникаций является тепловое проектирование, а в состав САПР РЭС входят специализированные подсистемы и комплексы. Широко используемый подход к организации теплового проектирования РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечение теплового режима в основном на этапе конструкторско-топологического проектирования. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляющихся после решения какой-либо задачи конструкторского синтеза (размещение, компоновка, выбор и разработка конструкций блоков, стоек и т.д.), если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции. Такая структура процесса теплового проектирования не обхватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а так же не позволяет осуществить комплексное исследование, обеспечение и оптимизацию параметров систем охлаждения и теплоотвода
(СО) РЭС и тепловых характеристик разрабатываемых конструкций. Поэтому для уменьшения временных затрат и повышения качества проектирования РЭС необходимо решать вопросы обеспечения теплового режима на всех этапах разработки конструкций. В ходе конструкторского проектирования РЭС эффективное решение таких задач возможно на основе подхода, называемого конструктивно-тепловым синтезом, под которым понимается комплексное применение различных методов анализа тепловых процессов, разработки систем охлаждения, параметрического синтеза и оптимизации СО, теплоотводящих устройств и тепловых характеристик конструкции.
Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки методов, математических хмоделей, алгоритмов и программных средств реализации процедур конструктивно-теплового синтеза, направленных на получения конструкций РЭС с заданными или оптимальными тепловыми режимами путем решения задач структурного и параметрического синтеза систем охлаждения и комплекса теплоотводящих устройств, обеспечения и оптимизации процессов теплопередачи, конструктивных параметров и режимов функционирования.
Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и системы автоматизации производства» и в рамках ГБ НИР 2004.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, алгоритмов, методик и программных средств синтеза и моделирования систем и устройств обеспечения тепловых режимов РЭС на различных этапах конструкторского проектирования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ задач обеспечения теплового режима современных РЭС, решаемых в рамках процесса теплового проектирования, и определить
основные направления повышения его эффективности на основе методов конструктивно-теплового синтеза;
разработать структуру процесса и состав проектных процедур конструктивно-теплового синтеза, а также соответствующего математического обеспечения;
сформировать комплекс математических моделей тепловых процессов в РЭС, базирующихся на ограниченном наборе унифицированных тепловых моделей, охватывающих все конструктивные уровни иерархии и применимых для задач обеспечения и оптимизации тепловых режимов на различных этапах конструкторского проектирования;
разработать математические модели систем охлаждения и теплопередачи в РЭС и теплоотводящих устройств различных типов, а также алгоритмы и методики выбора типа и структуры таких систем для конкретных РЭС и их параметрического синтеза и оптимизации;
реализовать предложенное математическое обеспечение и методики в программно-методическом комплексе обеспечения теплового режима конструкций РЭС.
Методы исследования. При выполнении работы использовались основные методы теории автоматизированного проектирования, теплопроводности и теплообмена, математической физики, вычислительной математики, оптимизации, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
структура процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС, состав соответствующих проектных процедур и математического обеспечения, отличающиеся комплексным подходом к решению задач синтеза системы охлаждения и комплекса теплоотводящих средств на всех уровнях конструктивной иерархии РЭС;
комплекс унифицированных тепловых моделей конструкций РЭС и аналитических математических моделей тепловых процессов в них,
отличающихся использованием ограниченного числа простых базовых моделей и позволяющих решать задачи обеспечения и оптимизации тепловых режимов конструктивных единиц различного иерархического уровня на разных этапах проектирования;
математическая модель систем охлаждения и теплоотвода РЭС в виде графа, отражающая пути и способы теплопередачи в конструкции, обеспечивающая решение задач синтеза и оптимизации тепловых процессов путем определения эквивалентных коэффициентов теплоотдачи каждого возможного пути;
процедуры и алгоритмы определения типа и структуры системы охлаждения РЭС и параметрического синтеза комплекса теплоотводящих устройств различных типов, отличающиеся применением эквивалентного коэффициента теплоотдачи как интегральной характеристики эффективности и унифицированных тепловых и математических моделей теплорассеивающих элементов, позволяющие решать задачи обеспечения заданных тепловых характеристик узлов и компонентов РЭС;
методика и алгоритмы оптимизации структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, отличающиеся использованием модели системы охлаждения в виде графа теплопередачи и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задач о максимальном потоке и задачи о назначениях.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны методы, алгоритмы и программные средства, реализованные в программно-методическом комплексе обеспечения тепловых режимов РЭС, позволяющего комплексно решать задачи анализа, выбора и параметрического синтеза при разработке систем и устройств охлаждения в процессе теплового проектирования. Применение предложенных методов и средств обеспечивает сокращение затрат на проектирование, повышение качества проектных решений и надежности разрабатываемых РЭС.
Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированного комплекса использовались при выполнении ряда НИОКР для решении задач обеспечения теплового режима конструкций РЭС связи, их узлов и компонентов и внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие», а также в учебный процесс Воронежского государственного технического университета для студентов специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».
Апробация работы. Основные результаты и положения
диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих
конференциях и семинарах: Международной научно-технической
конференции и Российской научной школе «Системные проблемы
надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи,
2006), Международной научно-технической конференции и Российской
научной школе «Системные проблемы надежности, качества, математического
моделирования, информационных и электронных технологий в
инновационных проектах (Инноватика-2007)» (Сочи, 2007), Всероссийской
научно-технической конференции «Современные проблемы
радиоэлектроники» (Красноярск, 2007, 2008), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского государственного технического университета (2005-2008) и научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры (2005-2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 учебное пособие. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: анализ и формулировка задач обеспечения теплового режима в рамках метода конструктивно-теплового синтеза /3,4/, состав комплекса унифицированных тепловых моделей РЭС /3,7,10,11/, основные задачи, структура процесса, состав проектных процедур
и математического обеспечения конструктивно- теплового синтеза РЭС /3/, математические модели тепловых процессов блоков различной формы /3, 8/, методика выбора типа системы охлаждения на базе графовой модели /3, 14/, модели ряда типовых теплоотводящих устройств и алгоритмы их параметрического синтеза /3/, вопросы интеграции средств моделирования характеристик РЭС в сквозном процессе «проектирование- производство» /2, 12/.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 124 страницах, содержит 44 рисунка, 9 таблиц.
Первая глава посвящена рассмотрению и анализу особенностей организации процесса теплового проектирования современных РЭС связи, применяемых методов и средств, математического и программного обеспечения. Показано, что в процессе теплового проектирования задачи структурного синтеза заключаются в выборе типа и схемы построения системы охлаждения, параметрического - в определение параметров системы охлаждения и входящих в нее теплоотводящих устройств: радиаторов, теплообменников, тепловых труб, тепловых шин и т. д. Составной частью этих задач является оптимизация структуры и параметров системы охлаждения, а также конструктивных параметров РЭС по тепловым критериям. Содержание задач анализа состоит в исследовании тепловых процессов в конструкциях определенного уровня иерархии и изделия в целом, моделировании температурных полей и оценке на основе полученных результатов выполнения требований и ограничений по тепловому режиму.
Определено, что рациональное построение процесса теплового проектирования требует взаимосвязанного проведения процедур синтеза и анализа, что не всегда реализуется на практике. Проведенный анализ показывает, что типовая структура такого процесса не обхватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и
ограничения, а так же не позволяет осуществить комплексное исследование, обеспечение и оптимизацию тепловых характеристик и конструктивных параметров создаваемых РЭС. Для повышения эффективности предложено при разработке конструкций РЭС использовать методы и процедуры конструктивно-теплового синтеза. Определены структура и взаимодействие необходимых для этого проектных процедур на каждом этапе теплового проектирования. Сформулирован перечень основных задачам, решаемых с помощью методов и процедур конструктивно-теплового синтеза. На основе проведенного анализа существующих методов и средств теплового проектирования, а также требований, предъявляемых к ним в рамках выбранного подхода, с учетом особенностей конструкций современных РЭС связи выявлены и обоснованы основные направления повышения их эффективности. На основе проведенного анализа определены цель и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрено формирование структура и состав проектных процедур и математического обеспечения процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС. Для реализации данных проектных процедур предложен соответствующий состав математического обеспечения, охватывающий математические модели процессов теплопередачи в конструкциях РЭС, процессов теплообмена, температурных полей и теплоотводящих устройств.
Сформирован комплекс унифицированных тепловых моделей конструкций различных РЭС, который охватывает все рассматриваемые иерархические уровни и позволяет получать ММ тепловых процессов в них в аналитической форме.
Приведена математическая постановка задач моделирования тепловых процессов и температурных полей для всех базовых моделей. На основе аналитических решений таких задач для типовых конструктивных единиц РЭС сформирован комплекс математических моделей, обеспечивающих их
использование на разных этапах проектирования для выполнения процедур анализа и обеспечения тепловых режимов.
Для представления структуры путей теплопередачи и соответствующих тепловых потоков в конструкциях РЭС предложено использовать модель системы охлаждения и теплоотвода в виде графа G (X,U), в котором вершинам X; соответствуют элементы конструктивной иерархии, представляющие собой условно изотермические по конструктивной иерархии, представляющие собой условно изотермические поверхности, а ребрам Uy - пути отвода тепла. Каждая вершина такого графа характеризуется значением эффективной теплоемкости сь позволяющей оценить количество аккумулируемой тепловой энергии в данном конструктиве, что необходимо при анализе импульсного или кратковременного режима работы РЭС, а также внутренним тепловым сопротивлением Rj. Обобщенной характеристикой ребра является такой интегральный параметр как эквивалентный (эффективный) коэффициент теплоотдачи аэ, учитывающий как вид реализуемого способа теплопередачи, так и наличие теплоотводящих устройств и средств интенсификации теплоотдачи. Предлагаемый подход позволяет унифицированными средствами сформировать модели тепловых процессов в конструкциях РЭС и их систем обеспечения теплового режима, в том числе и на ранних этапах при ограниченном наборе исходных данных, провести оценку их потенциальной эффективности и провести решение ряда задач по проектированию систем обеспечения теплового режима. Для использование при проведении процедур конструктивно-теплового синтеза предложен комплекс математических моделей, описывающих тепловые процессы и температурные поля в типовых конструкциях, а также их конструктивных составляющих, которые обеспечивают определение требуемых значений аэ для конструкций разного уровня иерархии и на различных этапах их проектирования.
Третья глава посвящена методам решения задач обеспечения тепловых режимов РЭС в рамках процесса конструктивно-теплового синтеза. Рассмотрены процедуры выбора способа охлаждения и типа системы теплоотвода при проектировании конструкций РЭС. При этом по определенному значению ссэ оценивается пригодность различных типов конструкций для реализации проектируемых РЭС и необходимость применения дополнительных теплоотводящих устройств в условиях различных видов охлаждения. Для этого сравнивается полученная величина аэ, обеспечивающая требуемый тепловой режим, с заранее определенными значениями а, характеризующими типовые конструкции, используемые конструктивные решения, охладители и т.д.
Для реализации данного подхода разработаны математические модели и методики параметрического синтеза применяемых в РЭС основных типов теплоотводящих устройств (пластинчатые, оребренные и штыревые радиаторы, тепловые шины, тепловые трубы) базирующиеся на использовании коэффициента аэ.
На основе предложенного подхода и комплекса моделей разработаны алгоритмы обеспечения заданных тепловых характеристик, включающие выбор типа системы охлаждения основных способов теплопередачи и проектирование теплоотводящих устройств.
Разработана методика и алгоритм оптимизация структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, использующие графовую модель системы теплоотвода и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задачи о максимальном потоке и задачи о назначениях.
Четвертая глава посвящена разработке на базе предложенных подходов, моделей и алгоритмов программного обеспечения автоматизированного комплекса конструктивно-теплового синтеза, входящего в состав интегрированной САПР РЭС. Программный комплекс имеет
модульную структуру, каждый модуль обеспечивает выполнение одной из рассмотренных процедур.
Разработанные программные средства применялись при выполнении ряда НИОКР по разработке комплексов связи в ОАО «Концерн «Созвездие» в процессе теплового проектирования различных устройств, в том числе ШС-10, ШС-50, ЦН-1 - ЦН-10. Применение показало их эффективность при решении задач обеспечения тепловых режимов и заданных тепловых характеристик РЭС различных конструктивных типов, их узлов и компонентов, что позволило повысить надежность создаваемых устройств и снизить затраты на проектные работы.
В заключение приводятся основные результаты работы.
Методы и средства и теплового проектирования в современных САПР РЭС
В настоящее время разработано и применяется значительное число способов, методик и алгоритмов решения основных задач теплового проектирования РЭС (моделирования и обеспечения теплового режима) /1-3,10-23,25,26,35,43,47-51/, реализованных с использованием различных аналитических /1,14,27-31,35/ и численных /1,4,9,29,32-35,52-54/ вычислительных методов. Во многих работах рассмотрены математические постановки задач моделирования, ММ тепловых процессов и температурных полей РЭС, методы и соответствующие методики моделирования /1-3,8,10-21,24-26,35,43,47-49,51,55-62/, реализованные в различных программных средствах /5,8,35,46,47, 64-70/.
Для комплекса задач моделирования и анализа, входящих в состав процесса конструктивно-теплового синтеза и сформулированных в п. 1.1, целесообразно при выборе и формировании соответствующих тепловых и математических моделей использовать основные положения метода поэтапного моделирования /1,10,50,63/. Этот подход предполагает последовательное применение различных тепловых и математических моделей, сложность и точность которых, а также детальность требуемых исходных данных, соот носятся с этапом проектирования и уровнем иерархии конструкции и возрастает к завершению проектных работ.
Соответственно применяемые модели меняются от моделей с сосредоточенными параметрами к моделям с распределенными параметрами (одно-, двух- и трехмерными), подобным же образом изменяется постановка задач моделирования и детальность результатов (средние значения температур-температурное поле) /1/. Как показывает анализ, для решения рассмотренных выше задач в необходимый набор тепловых моделей /37/ целесообразно включить: «ядро-зазор-оболочка» /1,10,11,12,16/, что соответствует представлению конструкции РЭС в виде «нагретая зона-воздух-корпус» /10,16/; канонические тела (параллелепипед, пластина, цилиндр, стержень и др.) с распределенными источниками тепла /1,10-12,26-28,30,31/ и с локальными объемными и поверхностными источниками тепловой энергии /1,10-12,14,18,28,35/; сложные модели в виде системы тел с тепловыми источниками 1, 10-12/.
Для задач оценки теплового режима могут быть использованы приближенные коэффициентные методы /10,11,14,16,23/, позволяющие рассчитать средние температуры нагретой зоны и корпуса РЭС, а также решение задач моделирования тепловых процессов в объектах простой формы с распределенным внутренним тепловыделением /11,12,28/. Для выбора типа, структуры и режимов функционирования СО целесообразно рассматривать теплообмен с окружающей средой с помощью коэффициентов теплопередачи а /10-12,14,26/, используя постановку краевых задач с граничными условиями III рода/10,28/.
Проведенный анализ предметной области и применяемых средств позволяет сделать вывод, что имеющиеся методы и математическое обеспечение в большинстве направлены на решение задач моделирования и анализа тепловых процессов и температурных полей РЭС.
Решение вопросов обеспечения требуемых тепловых режимов, в том числе и задачи выбора, структурного и параметрического синтеза, рассмотрены в значительно меньшем объеме. В основном задачи обеспечения теплового режима и достижения необходимой эффективности систем и устройств теплоотвода решаются итерационно на основе проведения многократного анализа с изменением конструктивных и теплофизических параметров РЭС, по результатам которого выбирается вариант СО конкретной конструкции или комплекса РЭС, отвечающих требованиям ТЗ к тепловому режиму. Постановки таких задач, возможные для применения в процедурах конструктивно-теплового синтеза, разработаны для отдельных частных случаев /1,10,14,16,17,20-22,43,57-59,61,62,71/.
Вопросы выбора охлаждения РЭС рассмотрены в /10, 16,58,71/. Основная методика построена на базе графиков /10,16/ полученных по результатам статистической обработки экспериментальных и расчетных данных. Исходными данными являются: мощность тепловыделения в блоке Р; допустимый перегрев, определяемый по наименее термостойким компонентам данного устройства, &І=ТІ+ТС, где ТС=ТС тах -для естественного охлаждения, ТС=ТС вх -для принудительного; коэффициент заполнения корпуса устройства К3; давление воздуха Р. На рис. 1.6 представлены подобные графики в виде зависимости Sc=f(lg, q), где q=PKp/S3 - удельный поверхностный тепловой поток, Кр - коэффициент, учитывающий давление (Кр=1 при нормальных условиях); S3=2[L! L2+ (Li +L2) L3 K3] - площадь условной нагретой зоны (поверхности теплообмена), Lb L2, L3- габаритные размеры блока. Верхняя часть рис. 1.6 предназначена для теплонагруженных узлов и крупногабаритных компонентов, нижняя- для блоков и стоек /10,16/.
Состав и структура проектных процедур и математических моделей и алгоритмов конструктивно-теплового синтеза РЭС
Проектные процедуры конструктивно-теплового синтеза должны обеспечивать решение задач, рассмотренных в п. 1.2 для всех уровней конструктивной иерархии и этапов разработки проектируемых РЭС. Базой для их формирования, кроме перечня соответствующих задач, являются приведенная на рис. 1.4 схема организации теплового проектирования и предложенная структура процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС (рис. 1.5). На этой основе сформирован состав и схема взаимодействия необходимых проектных процедур, представленные на рис. 2.1.
Для реализации данных проектных процедур предложен соответствующий состав математического обеспечения, охватывающий ММ процессов теплопередачи в конструкциях РЭС, процессов теплообмена, температурных полей и теплоотводящих устройств (рис. 2.2.).
Рассмотрим подходы к построению и разработке такого МО, необходимого для реализации предлагаемого комплекса проектных процедур конструктивно-теплового синтеза.
Задачи анализа. Для оценки теплового режима на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС и на этапе схемотехнического проектирования целесообразно использовать модели с сосредоточенными параметрами /1-11/, которые описываются обыкновенными дифференциальными и нелинейными алгебраическими уравнениями. Это позволяет определить средние значения температур и перегревов нагретой зоны, воздуха и корпуса РЭС (тепловая модель «ядро-оболочка»). Подобные модели применимы до уровня узла (модуля) РЭС.
Более универсальными являются многомерные ММ температурных полей в форме дифференциальных уравнений в частных производных /1,7, 10-12, 14, 28/, которые позволяют определять распределение температуры (перегревов) по поверхности и объему конструкций и применим на всех уровнях конструктивной иерархии РЭС.
С учетом того, что основой конструктивного построения современных РЭС являются модули в виде узлов на печатных платах, и соответственно наиболее распространенными являются блоки кассетной (книжной конструкции) с плотной компоновкой /1,4,7,10,13,14,17/, такие модели при представлении конструкций в виде трех- и двумерных тел канонической формы /1,10,11,28/, с распределенными источниками тепловой энергии могут применяться для решения различных задач на разных этапах функционального и конструкторского проектирования РЭС /37/. Для получения необходимых те-плофизических параметров (коэффициенты теплопроводности X и температуропроводности а, удельной теплоемкости Q, в том числе и их средних значений в конструкции, могут применяться подходы и методы, рассмотренные в/1, 10-12/.
Основой для моделирования процессов теплообмена и теплопередачи в конструкциях РЭС являются ММ коэффициентов теплоотдачи (теплообмена) для всех основных способов теплопередачи (конвекция, кондукция, излучение), учитывающие различные условия, влияющие на интенсивность данных процессов /10-12,14,17,26/.
Модели процессов теплопроводности, учитывающие теплообмен в конструкциях путем кондукции, включают описания переноса тепла в твердых телах (стержень, пластина, стенка, оболочка) /1, 10-12,14,26,28/ и через различные прослойки (в том числе воздушные) /1,10-12,14,26/.
Математическое обеспечение процедур синтеза, являющихся основой для решения задач обеспечения и оптимизации тепловых характеристик РЭС, базируются на рассмотренных ММ и методах моделирования и может быть сформировано с использованием следующего подхода /37/. К задаче структурного синтеза СО относится выбор их типа и принципов построения, здесь в качестве структурно-функциональной модели СО предлагается использовать ее представление в виде графа /37,77/, а основной характеристикой системы теплоотвода - обеспечиваемый эквивалентный коэффициент теплообмена аэ /37/. Методика выбора СО /36,37/ основывается на сравнении тре буемого по условиям обеспечения нормального теплового режима значения аэ с коэффициентами а, соответствующим различным типам СО. Значения а для СО определяются по моделям процессов теплопередачи, которые используются в конкретных системах /10-12,14,17,26/, а аэ по моделям /37/, получаемым на основе ММ тепловых процессов и температурных полей в конструкциях РЭС разных видов и уровней иерархии /1-3,10-19,21,23,25,26/.
Параметрический синтез комплексов и устройств теплоотвода осуществляется на основе ММ типовых устройств (радиаторы, тепловые шины, тепловые трубы, термоэлектрические элементы) /10,14,16,17,21,22,25,26,48,73/, которые служат основой для получения моделей аэ каждого из таких устройств /37/. Также используется для радиаторов различных видов методика, основанная на применении ММ теплорассеивающих элементов /37/, построенных на базе решений краевых задач теплопроводности с граничными условиями III и I рода для типовых конструкций таких устройств (пластина, ребро, штырь и т.д.) /10-12,14,21,25-28,30,31,37/.
Алгоритмы и процедуры оптимизации направлены на решение задач оптимального размещения /1,20,21,25,37,43,74/ по тепловым критериям, основными из которых являются (1.1)-(1.4). Здесь наибольший интерес представляет многокритериальная задача размещения с учетом в комплексе как тепловых, так и топологических критериев /20,74/, целесообразным представляется в качестве базовых использовать методы случайного поиска /91. Актуальны также задачи оптимальной компоновки стоек и блоков, размещения модулей и узлов с применением тепловых критериев. Для решения таких задач в качестве базовых применимы трехмерные ММ температурных полей в канонических телах с сосредоточенными объемными источниками тепловыделения /1,11,12/.
Математические модели и алгоритмы параметрического синтеза теплоотводящих устройств
Содержанием задачи параметрического синтеза теплоотводящих устройств является определение их конструктивных параметров /37/ (тип материала, габариты, размеры и площадь основания, конфигурация, длина и площадь сечения теплопередающих и теплорассеивающих элементов и т.д.), которые обеспечивают необходимое (заданное) значение коэффициента аэ.
Основными типами таких устройств в современных РЭС являются радиаторы, теплоотводящие шины, тепловые трубы, термоэлектрические охладители /10,14,16,17,22,26,48/.
Алгоритм проектирования теплоотводящих устройств на основе предложенного метода параметрического синтеза с использованием в качестве интегрального показателя их качества и эффективности коэффициента аэ представлен нарис. 3.3.
Применительно к таким наиболее широко применяемым, простым и достаточно эффективным видам теплоотводящих устройств, как пластинчатые, оребренные и штыревые радиаторы и тепловые шины, решение задачи параметрического синтеза заключается в определении площади и размеров основания радиаторов, числа и длины (высоты) штырей или ребер, площади поперечного сечения и размеров шины /37/.
Конструкция пластинчатого, оребренного и штыревого радиаторов представлена на рис. 3.4. Тепловой моделью пластинчатого радиатора и основания оребренного и штыревого в соответствии с рис. 2.3 и 2.4 будет пластина (ТМПЛ2), в случае круглой формы — цилиндр (ТМЦ2). В качестве базовой тепловой модели теплорассеивающих элементов (ребра, штыря), а также тепловой шины применяется стержень (ТМС1) с длиной h и площадью поперечного сечения SCT, полученные модели показаны на рис. 3.5.
На основе решения /11,12,26/ соответствующих краевых задач, рассмотренных в п. 2.1.2, получим следующие выражение для эквивалентных коэффициентов теплоотдачи радиаторов /37/: aCT - коэффициент теплоотдачи с поверхности стержня; П - периметр стрежня; Хт - коэффициент теплопроводности материала теплоотвода. Выражение (3.4) позволяет проводить синтез оребренного и штыревого радиаторов, обеспечивающих требуемое значение осэ, путем варьирования параметрами этих теплорассеивающих элементов (высота, диаметр, площадь поперечного сечения, форма) и их числом N, используя в качестве ограничений заданные габариты /37/.
В случае предложенной модели тепловой шины (рис. 3.5, г) применимо решение краевой задачи для стержня с источником тепла /12/, на основании которого получим следующие выражения, определяющие эквивалентный коэффициент теплоотдачи /37/
С использованием предлагаемых ММ решается задача параметрического синтеза этих устройств, связанная с определением размеров и параметров теплорассеивающих устройств (L, h, N, Нш аш) /37/.
Рассмотренный подход применим и для других типов теплоотводящих устройств /10,14,16,17,22,26,48/.
В современных РЭС с плотной компоновкой, в том числе цифровых, вычислительных устройств (ЭВМ), широкое применение находят тепловые трубы /10,17,48,85,86/, которые являются теплоотводящими устройствами для передачи теплового потока за счет использования теплофизического эффекта фазового превращения жидкого теплоносителя, находящегося внутри герметичной оболочки. Внутренняя поверхность оболочки (трубы) имеет капиллярно-пористую структуру, в качестве которой в основном используется металлическая сетка /10,17/. Конструкция тепловой трубы показана на рис.3.6, где L-длина тепловой трубы; LH, LKH- длина зон испарения и конденсации рабочей жидкости. где ХЭФ=ХЖ(\ + — + G)- эффективный коэффициент теплопроводности ав капиллярно-пористой структуры; Аок- коэффициент теплопроводности рабочей жидкости; a,B,G- конструктивные параметры сетки (для сеток из нержавеющей стали а=8000; G=l,35; в- половина ширины ячейки сетки /86/); 5ж- среднеинтегральная толщина слоя жидкости; 8СТ- толщина стенки трубы; GT- толщина трубы. Подставляя (3.9) в (3.8) и учитывая выражение R=l/a и (2.14), получаем следующую зависимость для 0 тепловой трубы a hz9l (ЗЛО) К5Ж/ ЭФ) + (5СТ/ СТ)]8 где S- площадь сечения трубы.
Предложенная в п. 2.2 структурно-функциональная модель СО и обеспечения тепловых режимов РЭС в виде графа, базирующаяся на тепловой модели (п. 2.1.2) «система твердых тел» (ТМСТ2), отражает возможные пути передачи тепловой энергии от источников тепла в окружающую среду, что представляет возможность решить задачу оптимального распределения тепловых потоков внутри конкретной конструкции РЭС. Данная задача возника ет вследствие того, что в реальных конструкциях современных РЭС существует множество путей, в том числе параллельных, протекания тепловых потоков, в качестве которых выступают как специальные устройства теплоот-вода, или выделенные (используемые) области (например, воздушные каналы между модулями), так и элементы конструкции (рамки, шасси, корпуса, элементы электрической коммутации, воздушные и изолирующие прослойки и т.д.). При этом в комплексе во многих случаях действуют все три вида теплопередачи (конвекция, излучение, кондукция) /10-12/. Поэтому появляется задача оптимального использования имеющихся и потенциальных путей передачи тепловых потоков, а также определения максимального количества тепловой энергии, которая может быть отведена в окружающую среду для данной конструкции, в заданных условиях эксплуатации и требованиях к нормальному тепловому режиму.
Подобная задача может быть сведеца к классу сетевых задач, в частности к задаче о максимальном потоке /78/.
При представлении конструкции РЭС даже наиболее простой моделью (ТМСТ1) «нагретая зона-корпус» (рис.2.5) граф, моделирующий систему охлаждения и теплопередачи, имеет более сложный вид, показанный на рис. 3.7. Здесь вершина Xi соответствует нагретой зоне, являющейся источником теплового потока Р; Х2 -воздушный зазор между НЗ и корпусом; Х3- корпус; Х4- охлаждающая среда- сток тепла.
Применение разработанных средств при тепловом проектировании конструкций РЭС
Тепловая мощность, выделяемая в печатных узлах (модулях) конвекцией , кондукцией и излучением передается на окружающие элементы конструкции (корпус блока и др.) и воздуху внутри блока. Воздух за счет конвекции (естественной или принудительной), поднимаясь, будет нагреваться и, выходя наружу, переносить тепловую энергию из блока в окружающую среду. Также с поверхности корпуса блока тепловая энергия будет рассеиваться в окружающую среду конвекцией и излучением.
Структура системы теплоотвода в конструкции блока соответствует графу, приведенному на рис. 2.10, где в качестве множества вершин имеем следующие: источник тепловыделения (кристалл ИС или дискретного полупроводникового прибора) - хь корпус компонента на плате - х2, узел (плата) - Х3, Корпус блока - Х5, КОрпуС СТОЙКИ - Х7, ВОЗДУХ ВНуТрИ блока - X4 и стойки - х6, окружающая среда- х8.
При заданных параметрах возможно применение СО как на базе естественного, так и принудительного охлаждения. Более детальное моделирование теплового режима с использованием тепловой модели (рис. 2.6) параллелепипеда с сосредоточенными объемными источниками тепла (в качестве которых выступают модули) дает следующие результаты, приведенные в табл. 4.9.
Результаты показывают, что максимальная температура отдельных узлов близка к допустимому значению, поэтому необходимо применять прину дительное воздушное охлаждение и дополнительные тепло отводящие устройства для наиболее теплонагруженных компонентов.
Рассмотрим решение задач параметрического синтеза при проектировании СО данного блока.
Для улучшения теплового режима блока ШС 10-Е, которое заключается в снижении, температур применяется вентилятор на входе снизу. Такой вентилятор обеспечивает продув воздуха вдоль поперечного сечения блока. Тогда возникает задача по определению средней по сечению скорости воздушного потока при заданной производительности вентилятора.
В этом случае скорость воздуха определяется как производительность вентилятора, деленная на поперечное сечение блока для продуваемого воздуха/10/.
Для заданных требований к тепловому режиму и значениям коэффициента теплоотдачи получаем диапазон скорости движения воздушного потока 0.5-1.0 м/с.
Поперечное сечение блока при продуве снизу вверх будет 0.07 м" , для такого случая зависимость «расход воздуха - скорости продува» представлена нарис. 4.20.
Для производительности 140 м /ч получается скорость продува воздуха равна 0.53 м/с, что соответствует применению из доступных типов двух осевых вентиляторов PAPST-8414NH.
Результаты моделирования температурного поля блока для случая принудительного воздушного охлаждения при скорости воздушного потока 0.53 м/с приведены в табл. 4.10.
Таким образом, при температуре окружающей среды 50 С получаем температуру продуваемого воздуха на выходе из блока 53.5 С, максимальную температуру узлов 96.7 С , следовательно применение таких параметров СО (скорость воздушного потока 0.53 м/с) обеспечило значительное улучшение теплового режима. Также было проведено моделирование теплового режима для максимального значения полученного диапазона скоростей 1.0 м/с, результаты приведены в табл. 4.11.
При температуре окружающей среды 50 С получаем температуру продуваемого воздуха 52 С, температура корпуса наиболее тепонагруженного модуля ШС71 снизилась до 89.1 С градусов. При таких параметрах СО обеспечение требуемого теплового режттма возможно со значительны коэффициентом запаса, но требует большего расхода воздуха (порядка 300 м7ч).
Также для отдельных термочувствительных и теплонагруженных компонентов (ИС и транзисторов) был проведен выбор типа и параметрический синтез радиаторов различной конструкции.
