Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задач исследования 13
1.1. Способы охлаждения радиоэлектронной аппаратуры 13
1.2. Условия работы радиоэлектронной аппаратуры на борту летательного аппарата 15
1.3. Обзор опубликованных результатов исследований систем кондуктивного охлаждения 19
1.4. Обзор методов расчета систем кондуктивного охлаждения 27
1.5. Постановка задач исследования 37
1.6. Выводыкглаве 1 41
Глава 2. Математическая модель электронного блока в герметичном корпусе с кондуктивным отводом тепла 43
2.1. Математическая модель стационарного теплового режима 49
2.1.1. Тепловая модель системы кондуктивного охлаждения 49
2.1.2. Температурное поле пластины с локальным источником тепла 60
2.1.3. Теплопроводность многослойной печатной платы с теплоотводящими слоями 63
2.1.4. Эффективная теплопроводность пластины с пазами на основных поверхностях 65
2.1.5. Тепловое сопротивление между элементами системы 67
2.1.6. Определение абсолютных температур в расчетных точках системы 69
2.2. Термическая инерция блока в герметичном корпусе с системой кондуктивного охлаждения 72
2.3. Выводы к главе 2 77
Глава 3. Экспериментальные исследования температурного режима радиоэлектронной аппаратуры в герметичном корпусе с системой кодуктивного охлаждения 78
3.1. Экспериментальные исследования влияния величины массового расхода охлаждающего воздуха на температурный режим блока 78
3.2. Результаты экспериментальных исследований 81
3.3. Оценка погрешности измерений 85
3.4. Выводы к главе 3 88
Глава 4. Параметрические исследования влияния различных факторов на эффективность системы кондуктивного охлаждения 89
4.1. Определение параметрических границ исследования 89
4.2. Влияние конструктивных параметров многослойной печатной платы с теплоотводящими слоями на ее теплопроводность 93
4.3. Зависимость эффективной теплопроводности пластины с пазами на основных поверхностях от параметров пазов 96
4.4. Исследование зависимости величины контактного термического сопротивления от условий контакта 99
4.5. Исследование влияния конструктивных факторов на температурный режим блока в герметичном корпусе с системой кондуктивного охлаждения 100
4.6. Рекомендации по проектированию электронных блоков в герметичном корпусе с системой кондуктивного охлаждения 117
4.7. Выводы к главе 4 124
Заключение
Литература
- Условия работы радиоэлектронной аппаратуры на борту летательного аппарата
- Тепловая модель системы кондуктивного охлаждения
- Экспериментальные исследования влияния величины массового расхода охлаждающего воздуха на температурный режим блока
- Влияние конструктивных параметров многослойной печатной платы с теплоотводящими слоями на ее теплопроводность
Введение к работе
Радиоэлектронные комплексы (РЭК) играют сегодня большую роль во всех областях науки и техники, а их отказы способны вывести из строя весьма серьезные системы, эксплуатируемые в очень жестких режимах работы, в том числе климатических.
Объект исследования. Объектом исследований в данной работе является бортовая радиоэлектронная аппаратура (РЭА) в герметичном корпусе с системой кондуктивного охлаждения (СКО), размещаемая в составе изделий авиационной техники и предназначенная для тяжелых условий эксплуатации.
Актуальность проблемы. Современные технические устройства все более насыщаются РЭА различного назначения. Это приводит к усложнению РЭА, увеличению числа входящих в нее элементов, совершенствованию элементной базы при постоянном стремлении максимально снизить габариты и массу аппаратуры. Энергетический коэффициент полезного действия радиоэлементов, как правило, невелик, и значительная доля энергии питания превращается в тепловую, вызывая перегрев элементов и аппаратуры. В широких пределах могут меняться условия эксплуатации, в том числе и температура окружающей аппаратуру среды. Оговоренный в технических условиях на большинство радиоэлементов диапазон рабочих температур сравнительно мал, а работа элементов вне этого диапазона обычно приводит к значительному снижению их надежности и соответственно к снижению надежности аппаратуры в целом. Необходимого (нормального) температурного режима работы элементов РЭА можно добиться применением специальных методов охлаждения.
На конструкцию РЭК существенно влияют не только способы охлаждения, но и параметры системы охлаждения, поэтому их нужно выбирать на ранней стадии проектирования. Обзор публикаций в
отечественной и зарубежной литературе, посвященных СКО, показывает заинтересованность некоторых фирм и научных коллективов в исследовании влияния различных факторов на их эффективность. Однако теоретические и экспериментальные исследования проводятся лишь для отдельных составляющих этих систем. Имеющиеся многочисленные методики теплового расчета СКО являются либо излишне упрощенными и дающими большую погрешность вычислений, либо осложнены огромным количеством исходных данных, трудностью построения математической модели и значительными затратами времени на расчет. Не смотря на все более широкое применение СКО в спецтехнике, на сегодняшний день не существует четко сформулированных рекомендаций и методик их теплового проектирования как единого целого. Так же остается открытым вопрос о возможности выбора на ранней стадии проектирования параметров системы охлаждения, а значит и получения конструкции блока в целом с наиболее рациональными массогабаритными, конструктивными, тепловыми и другими технико-экономических характеристиками.
Актуальность рассматриваемой в работе проблемы непосредственно связана с необходимостью всестороннего исследования и анализа влияния условий эксплуатации и конструктивных особенностей отдельных элементов на эффективность СКО как единого целого. Применение рационально спроектированных СКО позволит решить задачу температурной стабилизации, а значит, и повышения надежности РЭА, эксплуатируемой в экстремальных условиях с высокими тепловыми нагрузками.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является улучшение эксплуатационных параметров, таких как надежность, массогабаритные характеристики и энергозатраты на обеспечение принудительного обдува бортовой РЭА в герметичном корпусе по средством повышения эффективности СКО.
8 В связи с этим возникает ряд практически важных задач:
разработка математической модели (ММ) и методики теплового расчета блока в герметичном корпусе с СКО при работе в стационарном и нестационарном режимах;
исследование и анализ влияния условий эксплуатации и конструктивных особенностей корпуса блока и электронных узлов на температурный режим теплонагруженных элементов;
проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности разработанной математической модели практике;
формулировка рекомендаций по проектированию наиболее рациональных конструкций блоков и узлов с точки зрения их массогабаритных, тепловых и технико-экономических характеристик;
разработка расчетной программы для ЭВМ, позволяющей на ранних стадиях проектирования оценивать тепловое состояние элементов блока.
В диссертационной работе рассматриваются различные конструктивные и компоновочные решения блоков и СКО, позволяющие осуществить процесс отвода тепла от элементов РЭА в герметичном корпусе.
Методы исследования. Математическая модель стационарного режима работы СКО строится исходя из необходимости анализа теплового состояния элементов конструкции корпуса блока и его узлов, определяемого на основе исследования температурного поля системы пластин с дискретными источниками и стоками тепловой энергии, соединенных между собой и имеющих теплообмен друг с другом и окружающей средой. Для этого определяются величины источников и стоков на каждой из пластин, значения контактных тепловых сопротивлений между ними, определяется характер и интенсивности их теплообмена с окружающей средой при заданных условиях. Для решения поставленной задачи используется дифференциальное уравнение теплопроводности для ограниченной пластины с дискретным источником
тепловой энергии, метод поэтапного моделирования, принцип суперпозиций температурных полей, принцип местного влияния, и основные закономерности кондуктивного, конвективного, лучистого и контактного теплообмена. Задача решается методом последовательных приближений.
Для анализа нестационарного теплового режима работы блока используются основные закономерности регулярного процесса нагревания системы тел с источниками энергии, основанные на теоремах Г.М. Кондратьева. При этом электронный блок упрощенно представляется в виде составного тела, состоящего из ядра, тонкого зазора и наружной оболочки, на поверхности которой происходит теплообмен с окружающей средой.
Основными критериями, определяющими эффективность того или иного решения, являются: снижение температуры корпусов тепловыделяющих элементов до допустимых значений; улучшение массогабаритных характеристик блока в целом; снижение энергозатрат на обеспечение принудительного обдува.
Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для изделия, находящегося на этапе опытного производства в рамках НИОКР.
Научная новизна. В диссертационной работе защищаются следующие положения представляющую научную новизну:
разработана математическая модель и методика теплового расчета стационарного и нестационарного режимов работы РЭА в герметичном корпусе с СКО, учитывающая разнообразие конструктивных исполнений и разветвленность тепловых связей;
получена зависимость для определения эффективной теплопроводности многослойной печатной платы (МПП) с теплоотводящими слоями и сквозными металлизированными отверстиями в зонах источника и стока тепловой энергии;
получено выражение для определения значений теплопроводности вдоль основных координатных осей пластины, на поверхностях которой, имеются геометрические неоднородности в виде пазов;
исследовано и определено влияние условий эксплуатации, конструктивных и компоновочных факторов на температурный режим работы РЭА в герметичном корпусе и на эффективность СКО.
Практическая ценность. Практическая значимость выполненных исследований состоит в следующем:
Разработаны теоретические основы, принципы построения ММ и методика расчета, позволяющие всесторонне анализировать влияние конструктивных параметров СКО на температурный режим РЭА в герметичном корпусе.
Проведенные исследования позволяют правильно оценивать возможности СКО, целенаправленно и обоснованно выбирать их параметры для обеспечения требуемого температурного режима РЭА при заданных условиях эксплуатации.
На основании результатов исследований разработаны практические рекомендации по оптимизации параметров, режимов работы и использованию СКО при различных условиях эксплуатации с учетом тепловых нагрузок, массогабаритных характеристик и других показателей РЭА на этапе эскизного проектирования.
Разработано информационно-программное обеспечение для теплового моделирования и исследования СКО.
Основные новые результаты, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие положения и результаты: 1. аналитическая зависимость для определения эффективной теплопроводности МПП с теплоотводящими слоями, и сквозными металлизированными отверстиями в зоне источника и стока тепла;
аналитическая зависимость для определения эффективной теплопроводности пластины, на поверхностях которой, имеются геометрические неоднородности в виде пазов;
математическая модель и методика расчета стационарного теплового режима электронного блока в герметичном корпусе с СКО;
математическая модель и методика расчета РЭА в герметичном корпусе с СКО при работе в нестационарном тепловом режиме;
результаты и системный анализ параметрических и экспериментальных исследований влияния условий эксплуатации и конструктивных параметров на температурный режим РЭА и эффективность СКО;
Содержание работы по главам.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель, основные задачи, объект и предмет исследования. Показана научная новизна и практическая значимость выполненной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту и примеры практического использования результатов диссертационной работы.
В первой главе рассмотрены различные способы охлаждения и термостабилизации современной РЭА. Произведен обзор и анализ опубликованных результатов исследований по данному направлению. Дан краткий обзор и анализ методов расчета СКО.
Во второй главе обосновывается и разрабатывается методика теплового расчета и описывается математическая модель СКО электронного блока в герметичном корпусе при стационарном и нестационарном режимах работы. Выдвигается и обосновывается ряд допущений, позволяющих без существенного снижения точности расчета, значительно упростить построение математической модели.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию СКО тепловыделяющих элементов РЭА в герметичном корпусе. Выполнена оценка погрешности полученных результатов. По результатам экспериментальных
исследований сделан вывод о правильности разработанной ММ и правомочности принятых допущений при ее создании.
Условия работы радиоэлектронной аппаратуры на борту летательного аппарата
Условия работы РЭА на борту летательных аппаратов (ЛА) определяется внешними дестабилизирующими факторами. Температура - основной фактор, влияющий на надежность РЭА. С ростом температуры надежность РЭА резко снижается. Нарушается электрический режим работы полупроводниковых приборов, увеличивается диэлектрические потери и токи утечки в изоляционных материалах, снижается прочность изоляции и вязкость пропиточных материалов. Циклическое изменение температуры вызывает конденсацию, проникающей в аппаратуру влаги, расширение, которой при замерзании является причиной увеличения пор, зазоров и трещин в радиоэлементах. Изменение температуры окружающей среды вызывается сменой высоты полета, нагревом аппаратуры при ее работе и за счет внешних источников тепла: расположенной рядом РЭА и обшивки фюзеляжа (при полете с большими скоростями в плотных слоях атмосферы, и при интенсивном воздействии на обшивку солнечной радиации). Особенно интенсивному нагреву подвергается радиолокационная аппаратура, расположенная под обтекателем носовой части сверхзвукового самолета. Так при изменении скорости полета с 0,75 до ЗМ стенки стеклотекстолитового обтекателя конической формы с углом при вершине 30 и толщиной стенки 8мм прогревается за 20 минут, после чего, в антенном отсеке устанавливается температура около 220С.
В зависимости от типа самолета, давление в крейсерском режиме доходит до значений 6 кПа, соответствующих атмосферному давлению на высоте -19000м. Уменьшение давления с высотой полета является причиной возникновения электрических разрядов между близкорасположенными элементами аппаратуры с большой разностью потенциалов. Теплопроводность воздуха уменьшается, а эффективность систем воздушного охлаждения падает (при высоте полета 18км для охлаждения РЭА требуется десятикратное увеличение объема подаваемого охлаждающего воздуха по сравнению с необходимым при наземной работе).
Увеличение влажности - причина 30% случаев нестабильности работы бортовой аппаратуры. Влага попадает аппаратуру через атмосферу в виде водяных паров, тумана и содержит примеси (соли и кислоты), усугубляющие влияние влаги на элементы РЭА. Количество примесей зависит от близости промышленных объектов. Влажность воздуха определяется географическим расположением района, где эксплуатируется ЛА. В технических заданиях на проектирование большинства подобной аппаратуры задаются следующие основные дестабилизирующие факторы: рабочая температура окружающей среды - от минус 50С до плюс 60С; повышенная рабочая температура окружающей среды: кратковременная -плюс 70С, предельная - плюс 85С; атмосферное пониженное рабочее давление - 4 кПа (29 мм рт.ст.); относительная повышенная влажность - 98% при температуре окружающей среды плюс 40С; атмосферные конденсированные осадки (роса и оледенение); соляной морской туман; статическая пыль (песок), плесневые грибы; агрессивные среды (озон, аммиак, двуокись азота, сернистый газ, сероводород); электромагнитная совместимость (низкий уровень восприимчивости к внешним источникам помех и подавление помех создаваемых отдельными элементами самой аппаратуры); воздействие повышенного уровня акустического шума, механических ударов, вибрации и перегрузок, вызванных применением на объекте-носителе оружия, форсированным режимом работы двигателей, выполнением маневра, условиями взлета и посадки. Влияние дестабилизирующих факторов приводит к снижению надежности РЭА по сравнению с,работой в наземных условиях в 10 раз и более. Опыт эксплуатации показывает, что 90% отказов бортовой РЭА приходится на долю указанных факторов [91]. Работоспособность РЭА должна обеспечиваться при любых дестабилизирующих факторах, свойственным условиям эксплуатации оборудования на ЛА. Электронные блоки в герметичном корпусе с СКО обладают следующими конструктивными особенностями: внутренняя зона блока, в которой размещены электронные узлы, изолирована от внешней среды [107]; теплоотвод от стенок корпуса осуществляется путем принудительного продува охлаждающего воздуха по специальным каналам - активная система охлаждения (СО), или за счет естественной конвекции и излучения - пассивная СО [171]; для теплоотвода от элементов каждого из узлов применяют дополнительные теплоотводящие слои в МПП, металлические основания для плат, внешние теплоодводы и тепловые шины [108, 119, 122,123,169,173]; тепловыделяющие элементы имеют надежный тепловой контакт с теплоотводом или несущей конструкцией узла [43,121]; для передачи тепла от элемента на теплоотводящий слой (или металлическое основание) платы и от него к теплоотдающей поверхности, в плате под корпусом элемента и в зоне теплостока выполняются сквозные металлизированные отверстия [30]; отвод тепла от узлов осуществляется на боковые охлаждаемые стенки блока через два теплостока, для этого конструкция узла имеет прижимной механизм, обеспечивающий хороший тепловой контакт «узел-корпус» с минимальным тепловым сопротивлением [10,45]. Вышеуказанные конструктивные особенности РЭА с СКО позволяют решить следующие вопросы эксплуатации, ставшие последнее время еще более актуальными [176].
Тепловая модель системы кондуктивного охлаждения
СКО предполагает высокую степень металлизации элементов конструкции узлов и корпуса блока с ярко выраженными тепловыми связями. Поэтому, электронный блок в герметичном корпусе с кондуктивным теплоотводом на основании принятых допущений, можно представить как систему пластин с источниками и стоками тепловой энергии, соединенных между собой и имеющих теплообмен друг с другом и окружающей средой.
В этом случае плату (электронный узел) с тепловыделяющими элементами будем считать пластиной с источниками тепла. Причем, места теплового контакта платы с боковыми охлаждаемыми стенками блока, будем считать стоками тепловой энергии. Стенки блока, на которые осуществляется отвод тепла от плат, также будем рассматривать, как пластины с источниками тепла, где источниками тепла будут теплоотдающие поверхности плат. Все стенки блока будут иметь стоки (источники) - места контакта со смежными стенками (при наличии теплового контакта с ними).
Т.о, поставленная задача сводиться к определению и дальнейшему анализу температурных полей основных конструктивных элементов блока (стенок корпуса и теплоотводящих элементов узлов), определению значений источников и стоков тепловой энергии на каждом из них, значений тепловых сопротивлений между ними, определению характера и интенсивности их теплообмена с окружающей средой при заданных условиях.
При применении метода последовательных приближений в решении задачи, можно использовать принцип суперпозиций температурных полей, а уравнения описывающие процессы теплообмена рассматривать как линейные, если на каждом шаге вычислений для текущих значений температур определять соответствующие им коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности [21].
Тепловая модель блока в герметичном корпусе с системой кондуктивного охлаждения. Для проведения исследования тепловых процессов и построения тепловой модели определимся с единой для всех элементов конструкции системой координат (рис. 2.1.1). Будем считать, что все электронные узлы блока, не зависимо от схемы компоновки, лежат в плоскостях параллельных плоскости Y0Z. Присвоим обозначения основным конструктивным элементам: стенкам корпуса и непосредственно узлам. Наиболее удобно использовать числовое обозначение - порядковый номер в тепловой схеме. Боковым стенкам блока, имеющим направляющие для установки узлов, присвоим обозначения: стенка №1 и №2 соответственно (рис.2.1.1); задней стенке (лежащей в плоскости X0Y) присвоим обозначение «Стенка №3»; передней стенке блока - «Стенка №4»; нижней крышке блока -«Стенка №5»; верхней крышке - «Стенка №6».
Узлы будем обозначать следующим образом. Узел ближайший к стенке №3 обозначим как «Узел №1», обычно это источник питания (наиболее теплонагруженный узел блока, имеющий тепловой контакт своей наибольшей стороной с охлаждаемой стенкой №3). Следующие узлы №2,3 и т.д.
По бокам платы располагаются зоны, через которые осуществляется сток тепла на боковые стенки блока. Для учета неравномерности тепловыделений на плате, а следовательно и неравномерности передачи тепла на стенку, разобьем каждую из вышеуказанных зон на несколько частей.
Теперь определимся с источниками и стоками на стенках блока. Рассмотрим стенку №1. Зону стенки, на которую осуществляется теплоотдача от узла, будем считать источником тепла на стенке. Т.о., на стенках №1 и 2 имеется по Ъ-Ип источников тепла, геометрически равных стокам на платах. Стоки (источники) на стенках №1,2, 3, 4, 5 и 6 вызванные наличием взаимного теплового контакта друг с другом, находятся на их основных поверхностях и геометрически равны. Размер последних определяется площадью контакта между стенками.
В месте теплового контакта двух соприкасающихся поверхностей всегда будет иметь место контактное термическое сопротивление (КТС). На всем пути от тепловыделяющего элемента к охлаждаемым стенкам блока, тепловой поток встречает целый каскад соединенных последовательно или параллельно КТС, большое значение которого может свести на нет все принятые меры, увеличивающие проводимость элементов конструкции [94]. Т.о., значения тепловых потоков «плата-стенка» и «стенка-стенка» в рассматриваемой тепловой модели определятся как:
При необходимости определения и учета взаимного влияния соседних узлов друг на друга, а также влияния узлов на стенки №3 и №4 посредством теплопередачи через воздушную прослойку, разделяющую их (Приложение 5, пункт 3.1), на поверхности узлов и стенок №3 и №4 следует расположить еще один источник размером равным свободной поверхности узлов. Для узла №1 вместо параметров с индексом (і) следует подставлять параметры, относящиеся к стенке №3. Для узла №NP вместо параметров с индексом (i+1) следует подставлять параметры, относящиеся к стенке №4. На основании закона сохранения энергии, при наличии теплообмена между двумя соприкасающимися поверхностями будет иметь место тепловой баланс: одноименные источники тепла на контактирующих поверхностях будут равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Вышеописанная тепловая модель соответствует случаю, когда в роли элементов КТ узлов выступают внешние теплоотводы или МПП с теплоотводящими слоями, которые можно рассматривать как пластины с источниками и стоками тепла.
Экспериментальные исследования влияния величины массового расхода охлаждающего воздуха на температурный режим блока
В качестве экспериментальных исследований проводились тепловые испытания электронного блока в герметичном корпусе с кондуктивным теплоотводом, разработанного по программе НИОКР [40]. Испытания проводились на стенде испытательного центра предприятия (рис.3.1.1.) по специально разработанной методике [38].
Испытуемый блок был подключен к стенду контроля и управления 19, который подавал на соединители блока питание и сигналы, соответствующие его штатной работе. Компрессор 1 закачивал воздух из помещения испытательного центра в ресивер 2, снабженный предохранительным клапаном и датчиком давления 3. При достижении определенного значения давления, датчик срабатывал, и компрессор прекращал работу. По мере снижения давления компрессор включался, поддерживая, тем самым, в ресивере требуемое давление. После открытия запорного вентиля 4 воздух из ресивера направлялся в блок подготовки охлаждающего воздуха 5, состоящего из регулируемого дросселя 6, расходомера 7, охладителя 8 и датчика температуры 9. Исполнительные и контролирующие органы блока, имея друг с другом обратную связь, обеспечивали заданные параметры воздуха на выходе: массовый расход с точностью ±0,3кг/час и температуру с точностью ±0,5С.
С помощью соединительной магистрали 10, охлаждающий воздух из блока подготовки направлялся к напорному фланцу на корпусе испытуемого блока, находящегося в климатической камере. К выходному сечению охлаждающего тракта блока крепилась отводящая магистраль 20. Пройдя по всему охлаждающему тракту блока и охладив его стенки, отработанный воздух по отводящей магистрали выводился в помещение испытательного центра.
На корпусах восьми тепловыделяющих элементов были закреплены медь - константановые термопары. Выходные сигналы с термопар поступали на многоканальный измерительный комплекс 17, где они обрабатывались и передавались на многоканальный ленточный самописец 16. Самописец фиксировал значение температуры на корпусе каждого из восьми наблюдаемых элементов в течение всего времени испытания.
Температура охлаждающего воздуха поддерживалась постоянной на протяжении всего времени испытаний и составляла + 5±0,5 ОС. В соответствии с программой испытаний исследовались четыре режима работы системы охлаждения: режим №1 - m lO кг/час, режим №2 - 111 =20 кг/час, режим №3 - тохл=30 кг/час и режим №4 - moM=0 кг/час. Испытания были проведены за два рабочих дня; в первый день - для значений массового расхода охлаждающего воздуха: 10 и 20 кг/час, а во второй - для расхода 30 и 0 кг/час. Продолжительность каждого из режимов составляла 3 часа. Перед началом каждого из цикла испытаний проверялась надежность электрических и тепловых контактов, производилось термостатирование системы в течение одного часа.
На основе экспериментального стенда, описанного в предыдущем параграфе, был проведен ряд опытов, позволяющих судить об эффективности разработанной системы охлаждения.
Основной задачей, стоящей перед нами при проведении экспериментальных исследований, являлось определение зависимости температурного режима тепловыделяющих элементов электронного блока от величины массового расхода охлаждающего воздуха. Важным являлось сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретическими с целью проверки адекватности ММ практике.
В качестве испытуемого образца был использован, разработанный по программе НИОКР предприятия, электронный блок в герметичном корпусе с СКО. Компоновка блока соответствовала схеме, изображенной на рис.2.1.2.2.а. В состав блока входили четыре электронных узла, выполненных в формате 6U и источник питания, прижатый к охлаждаемой стенке №3 (см рис.2.1.З.З.). Геометрические характеристики МПП узлов были следующими: высота 160мм, ширина 233,35мм, толщина 2,2мм. Отвод тепла от элементов осуществлялся кондуктивным способом, для чего печатные платы имели по два дополнительных теплоотводящих слоя меди толщиной 0,1мм. Габаритные размеры корпуса блока: высота (по оси 0z): 190мм, ширина (по оси Ох): 165мм и глубина (по оси Оу): 320мм. Основные корпусные детали корпуса были выполнены фрезерованием из материала Діб. Охлаждаемые стенки блока имели оребрение. Наружная поверхность блока покрыта светло-серой эмалью. Система охлаждения блока подразумевала подключение к магистрали охлаждающего воздуха на объекте - носителе. Масса блока составляла 7,8кг. Суммарная выделяемая блоком тепловая мощность составляла 32Вт.
Как уже говорилось, последним этапом испытаний, был режим работы блока при отключенной системе обдува (mo0=0). Блок был выдержан при комнатной температуре (toc=220C) в течение четырех часов. Затем на соединители блока было подано напряжение и запущено тестовое программное обеспечение. При расшифровке показаний самописца было установлено время выхода блока на установившейся тепловой режим без обдува охлаждающим воздухом. Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы: экспериментальные исследования подтверждают правильность разработанной ММ блока в герметичном корпусе с СКО и правомочность принятых допущений при ее создании; отклонение расчетных значений температур корпусов элементов от экспериментальных для данного изделия не превышает 9%; отклонение расчетных значений продолжительности переходных процессов от экспериментальных для данного изделия не превышает 13%; использование СКО, является эффективным средством обеспечения требуемого температурного режима для блоков в герметичном корпусе. Данная система охлаждения не требует больших расходов охлаждающего воздуха, а значит и значительных затрат энергии.
Влияние конструктивных параметров многослойной печатной платы с теплоотводящими слоями на ее теплопроводность
Рассмотрим графическое представление результатов вычислений по полученным выражениям для эффективной теплопроводности многослойной печатной платы с теплоотводящими слоями .
В качестве материала теплоотводящих слоев принималась медь со следующими теплофизическими свойствами: теплопроводность - А,=390 Вт/(мК); плотность р=8,93 г/см ; удельная теплоемкость с=380 Дж/(кгК). Текстолит обладает следующими свойствами: теплопроводность - А=0,3 Вт/(мК); плотность р=1,35 г/см3; удельная теплоемкость с=1460 Дж/(кгК).
На основании вышеприведенных зависимостей и анализа выводов разработаны универсальные графические зависимости для платы формата «6U» толщиной 1мм с теплоотводящими слоями и (или) с внешним теплоотводом. (см. Приложение 6) ВЫВОДЫ
Как видно из графика (4.2.1) теплопроводность платы с одним теплоотводящим слоем толщиной 0,3мм почти равна теплопроводности платы с двумя слоями меди толщиной по 0,15мм каждый. Т.о, в расчетах, вместо платы с несколькими слоями меди можно принимать плату с одним слоем толщиной равной сумме толщин всех слоев меди.
Анализируя графические зависимости (4.2.2) - (4.2.3) можно сделать вывод, что не зависимо от толщины платы, количества теплоотводящих слоев, их толщины, а так же от размера источника тепла минимально необходимой степенью металлизации М является 3-4% от площади источника или стока. Дальнейшее увеличение степени металлизации практически не увеличивает значение теплопроводности платы. И, напротив, при уменьшении значения степени металлизации менее 3% наблюдается значительное снижение теплопроводности платы.
Из анализа графических зависимостей (4.2.4) и (4.2.5) видно, что теплопроводность платы с двумя слоями меди практически не зависит от глубины залегания слоев. И напротив, теплопроводность платы с одним слоем меди зависит от глубины расположения слоя даже при оптимальной степенью металлизации и уменьшается с ростом глубины.
Рассмотрим графическое представление результатов вычислений по полученным выражениям для эффективной теплопроводности пластины с геометрическими неоднородностями на основных поверхностях (2.1.4.1), (2.1.4.2). Расчеты производились для двух случаев: 1) когда на одной из основных поверхностей пластины имеются ребра; 2) когда на одной стороне пластины имеются ребра, а на другой - направляющие для узлов. В качестве материала пластины рассматривается алюминиевый сплав Діб с теплопроводностью Х.=193 Вт/(мК).
Наличие геометрических неравномерностей на основных поверхностях пластины вносит существенное различие между значениями эффективной теплопроводности вдоль основных координатных осей. Наибольшее влияние на различие теплопроводностей оказывают глубокие пазы, выполненные только на одной из сторон пластины. 4.4. Исследование зависимости величины контактного термического сопротивления от условий контакта
По результатам исследования зависимости величины контактного термического сопротивления от условий контакта на основании аналитического выражения (2.1.5.1) (см. Приложение 7) можно сделать следующие выводы:
Рост теплопроводности среды, заполняющей зазоры в зоне контакта, значительно увеличивает теплопередачу контакта, особенно при высокой чистоте обработки поверхностей. Наличие волнистости контактирующих поверхностей в условиях «сухого» контакта снижает теплопередачу в среднем на 25%, а при наличии наполняющей среды - в среднем на 40%. Рост давления в зоне контакта более эффективно увеличивает теплопередачу контакта для более мягких материалов при низкой чистоте обработки.
Как уже говорилось выше, параметрические исследования проводятся для типоразмеров корпусов и плат блоков, разрабатываемых в соответствии с НИОКР предприятия. Исходя из этого, многие параметры и величины выбирались на основе реальных условий эксплуатации данного класса аппаратуры. Так, например, температура окружающей среды в соответствии с техническим заданием находится в пределах от -50С до +60С, поэтому рассматривается наиболее тяжелый режим - +60С. Температура воздуха, подготавливаемого системой охлаждения носителя, обычно имеет значение +5С. В качестве толщины стенки блока используется теоретическая толщина стенок, определяемая как отношение реального объема стенки к плотности материала. Для определенности было принято общее для всего исследования правило распределения источников тепловой энергии и выделяемой ими мощности. На каждом из узлов произвольным образом распределялись по четыре источника. Все источники тепла электронных узлов имели одинаковую мощность. Так как источник питания в структуре большинства блоков является наиболее теплонагруженным узлом, то принималось, что выделяемая им тепловая мощность в два раза превышает мощность электронного узла.
