Математичні моделі радіаторів охолодження ЕРІ

Для системи повітряного охолодження радіоелектронних апаратів і напівпровідникових силових пристроїв широке застосування отримали радіатори, які різняться на вигляд розвиненої площі поверхні, а саме: пластинчасті рис.2а, ребристі рис.2b, голчасто-штирьові рис.2в типу "краб" рис. , жалюзійні рис.2д, петельно-дротяні рис.2е.

На рис. 2 наведені геометричні параметри, що істотно впливають на тепловий потік, що розсіюється радіатором : розміри основи L1, L2 (прямокутна основа), діаметр D (кругла основа), товщина Q основи; висота h1 (або h2), товщина 1 ребра або штиря та крок Sш між ними. Для петельно-провочных радіаторів характерними геометричними параметрами є висота h2 витка, діаметр d дроту, крок навивки S2 крок укладання S1 і коефіцієнт заповнення каналу, що дорівнює відношенню площі поперечного перерізу спіралей до площі перерізу каналу. Значення зазначених параметрів для радіаторів, що випускаються промисловістю, можна знайти в нормативній документації.

Дослідження теплообміну радіаторів різного типу дозволили побудувати наближену залежність середнього перегріву s=ts-tc основи площею А від питомого теплового навантаження q= Ф/А при вільній та вимушеній вентиляції. Для характеристики теплообмінних властивостей радіатора використовують такі параметри: ефективний коефіцієнт тепловіддачі aеф, теплову провідність тепловий опір R . Ці параметри пов'язані з середнім перегрівом s основи і потоком Ф залежностями, що розсіюється.

aефА = =R -1 , (1)

Ф = s = R -1 s = aеф sА.

Формула (1) справедлива для радіатора будь-якого з розглянутих вище типів; вся складність процесів перенесення теплоти та конструктивні особливості зосереджені тут у одній величині – ефективному коефіцієнті тепловіддачі.Останній може бути визначений експериментально чи розрахунковим шляхом. У першому випадку в основу покладена залежність (1), що дозволяє за знайденими з досвіду значенням Ф і визначити aеф. З допомогою цих графіків можна підібрати радіатор, середня температура основи якого перевищує заданої величини ts= s +tс.

На рис.2.6 схематично зображено радіатор 1 із закріпленим на ньому приладом 2, всередині якого є джерела потужністю Ф, що розігрівають робочу область приладу (наприклад, область p-n-переходу транзистора) та його корпус до температур tp і tк, у місці кріплення приладу до радіатора температура tі, а середня температура основи радіатора ts.

Наведемо вихідну інформацію, яка має бути відома при проектуванні або виборі радіатора: гранично допустима температура робочої області приладу (tp)доп або його корпусу (tк)доп; розсіювана приладом потужність Ф; температура tз навколишнього середовища або потоку, що набігає; внутрішній тепловий опір Rвн приладу між робочою областю та корпусом; спосіб кріплення приладу до радіатора, що характеризується тепловим опором Rк контакту.

Рис.2.5. Радіатори повітряного охолодження

Вибір радіатора

Рис.2.6. Температурне поле радіатора (1) та приладу (2).

Проектований радіатор повинен задовольняти деяким додатковим вимогам: мати малу масу та габарити, виконувати свої функції за найменшої витрати повітря, якщо потрібне примусове охолодження тощо.

На рис.2.6 представлена ​​схема з'єднання теплових опорів між робочою областю та навколишнім середовищем, з якої випливає:

Структура теплової моделі системи електронний елемент-радіатор-кулер-навколишнє середовище наведено на малюнку 2.7.

Мал. 2.7. Елементи теплової моделі.

Мал. 2.8. Теплова модель.

Призначення елементів теплової моделі наведеної на рис. 2.7. та рис.2.8:

0-базовий (нульовий вузол); 1- вузол, що моделює температуру електронного елемента; 2-вузол, що моделює температуру навколишнього середовища (повітря); P-джерело теплової потужності; T – джерело постійної температури довкілля; R52-1 тепловий опір конвективної гілки радіатор-довкілля.

Варіанти завдань до лабораторної роботи

Варіант (за списком груп-пи)	Розміри електронного елемента (мм)	Потужність, що виділяється електронним елементом (Вт)	Допустима температура електронного елемента	Температура навколишнього середовища
50*50
50*45
50*40
45*45
45*40
50*50
50*45
50*40
45*45
45*40
50*50
50*45
50*40
45*45
45*40
50*50
50*45
50*40

35*45

35*30

35*35

40*35

40*40

45*40

45*45

50*45

50*50

Для групи БІВ-135 радіатор пластинчастий алюмінієвий, для групи БІВ-136 радіатор штирково-гольчастий сплав матеріал АМг-6. Коефіцієнт питомої теплопровідності алюмінію 237 Вт/(м*К), металу АМг-6 - 122 Вт/(м*К).

Порядок виконання роботи

-запустити програму Асоніка-П;

- провести налаштування каталогів (пункт меню “Налаштування”), вказавши шляхи до робочого каталогу (c: Program Files Asonaika-Pample) і до каталогу бази даних (c: Program Files Sonika-Bd);

- вибрати тепловий тип розрахунку та відкрити новий файл для формування моделі теплообміну (“файл-новий-тепло”);

- використовуючи кнопку "додати" (напис висвічується при підведенні до неї курсора, а на кнопці є малюнок із зображенням резистора зі знаком + над ним) вводити по черзі графічні зображення елементів теплової моделі:

- використовуючи пункт підменю "Вузол" розставити на екрані вузли моделі (перетягуючи їх мишкою) відповідно до підготовленого ескізу моделі теплообміну нумеруючи їх послідовно починаючи з одиниці, при цьому вузли з однаковим номером можна дублювати в різних місцях моделі для зручності проведення з'єднань;

- використовуючи пункт підменю "Нульовий вузол" розставити на екрані базові (загальні) вузли моделі, що мають номер "0";

- використовуючи пункт меню "додати" - "вимушена конвекція" - "обдув розвиненої оребренной поверхні (пластинчасте ребра або голчасто-штиркове в залежності від завдання)" ввести параметри конструкції конвективної гілки теплообміну радіатора з навколишнім повітрям, вибравши в якості матеріалу радіатора тиск повітря 760 мм.рт.ст.; отриману гілку пронумерувати і під'єднати між вузлом, що моделює джерело потужності і вузлом, що моделює температуру навколишнього повітря (джерело постійної температури), використовуючи кнопку "З'єднати" (на ній є малюнок у вигляді жовтого олівця) і захопивши мишкою кінець лінії, що з'єднується, одного елемента кнопки мишки тягнути її до місця з'єднання з лінією іншого елемента, післячого натиснути лівою кнопкою мишки для закінчення з'єднання; елементи моделі для зручності з'єднань можна повертати за допомогою пункту меню "Тепло"-"повернути" …10 мм, довжина трохи більше 60 мм, швидкість повітря трохи більше 2 м/с );

- використовуючи пункт меню "додати"- "джерела потужності" - "джерело постійної потужності" ввести в модель джерело теплової потужності у вузлі моделі та з'єднати їх між цим вузлом та нульовим вузлом;

- використовуючи пункт меню "додати"- "джерела температури" - "джерело постійної температури" ввести в модель джерело температури навколишнього середовища (повітря), задавши його температуру і приєднавши його між вузлом, що моделює температуру навколишнього середовища та нульовим вузлом.

У цьому формування моделі закінчується. Для видалення з'єднання або елемента моделі його необхідно виділити мишкою і натиснути на кнопку "Видалити" (має малюнок у вигляді червоних ліній, що перетинаються). Для зміни параметрів елемента моделі його необхідно виділити мишкою та змінити необхідний параметр за допомогою меню “тепло” – “параметри елемента”. Отриману модель необхідно зберегти у файлі з вибраним ім'ям та розширенням .shh у папці “Sample”.

Здійснити розрахунок стаціонарного теплового режиму (“тепло” – “розрахунок” – “стаціонарний розрахунок” або кнопка з малюнком трикутника на головній панелі). Проаналізувати результати розрахунку і, якщо температура транзистора перевищує допустиме значення, збільшити площу ребра радіатора, що визначається кількістю та геометричними розмірами ребер або штирьків радіатора. У цьому випадку можна також збільшити швидкість потоку повітря, що обдуває радіатор.(якщо розміри радіатора більш ніж удвічі перевищують розміри електронного елемента). Якщо ж температура транзистора значно менше допустимого значення, необхідно зменшити площу ребра радіатора наближаючи температуру транзистора до гранично допустимого значення. Після зміни параметрів радіатора повторіть розрахунок. Вказані вище дії робити до тих пір, поки розрахункова температура транзистора не буде менш ніж на один градус відрізнятися від гранично допустимої.

Вимоги до звіту

Звіт про роботу має містити:

- короткий опис математичного забезпечення (теплообмін у РЕМ);

- Опис об'єкта проектування;

---