Тепловой расчет

8.    Тепловой расчет

Тепловые режимы радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени определяют ее надежность. Микро миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры привела к значительному увеличению удельных тепловых нагрузок. С позиции теплофизики радиоэлектронный аппарат представляет собой систему тел, которые сложным образом распределены в пространстве и являются источниками и стоками энергии.

Прежде чем приступить к выбору системы охлаждения проанализируем условия эксплуатации проектируемого изделия. Электронный контроллер должен работать в помещениях с нормальными климатическими условиями. Роль корпуса осуществляет пласмассовая конструкция с зазорами. Перенос тепла осуществляется в основном за счет конвекции. Общую мощность, выделяемую контроллером можно подсчитать, просуммировав выделяемые мощности каждого компонента.

Таблица потребления микросхем:

Микросхема	Эле-ты	Кол-во	Рср ,мВт	Тип Корпуса	H, мм	А, мм	В, Мм
K537РУ17	D1,D2,D2	3	5	4119.28-6.02	5.5	12	37
К555ИЕ10	D4,D5,D6,D7,D16	5	156	238.16-2	5	7.5	21.5
К555ТМ2	D8,D17	2	19	201.14-8	5	7.5	19.5
К555ИД7	D9,D23	2	50	238.16-2	5	7.5	21.5
К555ЛН1	D10,D13,D14	3	33	201.14-1	5	7.5	19.5
К555ЛИ1	D11,D12,D15	3	44	201.14-1	5	7.5	19.5
К555ИР13	D18	1	120	405.24-2	5.5	12	30
К555ИР22	D19,D20,D21,D22	4	125	4153.20-1.01	5	7.5	25
8 типов		23	1.784

Общая мощность, выделяемая устройством .

Общее количество микросхем .

Исходные данные для расчета

1.    Геометрические параметры корпуса .

2.    Геометрические параметры платы .

3.    Мощность, выделяемая источниками тепла .

4.    Средняя мощность одного источника

5.    Коэффициент теплопроводности стеклотекстолита основания печатной платы .

6.    Давление окружающей среды .

7.    Давление воздуха внутри блока .

8.    Температура эксплуатации .

Исходными данными для расчета служат значения следующих параметров:

- базовая температура - То = 293 К,

- мощность выделяющаяся в микросхеме - Qэi , Вт -

Qэ₁ = 0.005 Qэ₂ = 0.005 Qэ₃ =0.005 Qэ₄ = 0.156 Qэ₅ = 0.156

Qэ₆ =0.156 Qэ₇ =0.156 Qэ₈ = 0.156 Qэ₉ = 0.019 Qэ₁₀ = 0.019

Qэ₁₁ = 0.05 Qэ₁₂ = 0.05 Qэ₁₃ =0.022 Qэ₁₄ =0.033 Qэ₁₅ =0.033

Qэ₁₆ =0.033 Qэ₁₇ =0.044 Qэ₁₈ =0.044 Qэ₁₉ =0.044 Qэ₂₀ =0.12

Qэ₂₁ =0.125 Qэ₂₂ =0.125 Qэ₂₃ =0.125

- размеры корпуса блока без учета теплоотводящих ребер -

Lкх = 0.12 м, Lкy = 0.14 м, Lкz = 0,02 м,

^-      общая площадь внешней поверхности блока - Sк = 0.044 м²,

^-      площадь основания микросхемы - Sэоi , 10^-6 м²

Sэ₁ =444 Sэ₂ =444 Sэ₃ =444 Sэ₄ =161,25 Sэ₅ =161,25

Sэ₆ =161,25 Sэ₇ =161,25 Sэ₈ =161,25 Sэ₉ =146,25 Sэ₁₀ =146,25

Sэ₁₁ =161,5 Sэ₁₂ =161,25 Sэ₁₃ =146,25 Sэ₁₄ =146,25 Sэ₁₅=146,25

Sэ₁₆=146,25 Sэ₁₇=146,25 Sэ₁₈=146,25 Sэ₁₉=360 Sэ₂₀= 187,5

Sэ₂₁=187,5 Sэ₂₂=187,5 Sэ₂₃=187,5

-      суммарная площадь поверхности микросхемы - Sэi, 10^-6 м²

Sэo₁ =1784 Sэo₂ =1784 Sэo₃ = 1784 Sэo₄ =612,5 Sэo₅ =612,5

Sэo₆ =612,5 Sэo₇ =612,5 Sэo₈ =612,5 Sэo₉ =562,5 Sэo₁₀ =562,5

Sэo₁₁ =612,5 Sэo₁₂ =612,5 Sэo₁₃ =562,5 Sэo₁₄ =562,5 Sэo₁₅ =562,5

Sэo₁₆ =562,5 Sэo₁₇ =562,5 Sэo₁₈ =562,5 Sэo₁₉ =1082 Sэo₂₀ =700

Sэo₂₁ =700 Sэo₂₂ =700 Sэo₂₃ =700

- размеры печатной платы - lx = 0.11 м, ly = 0.13 м,

- коэффициент перфорации корпуса блока - Кп = 1,

- толщина печатной платы - dп = 0.0015мм,

- зазор между основанием микросхемы и печатной платой - dз = 0.001 м,

- коэффициент теплопроводности диэлектрического основания платы - стеклотекстолита - l1 = 0.372 Вт/м*К,

- коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор между микросхемой и печатной платой - воздух - ls = 0.02442 Вт/м*К,

- объем печатной платы - Vп = 10*10^-6 м³,

- шаг установки микросхем на печатной плате- tx = 0.025м, ty = 0.017м,

- давление окружающей среды и давление внутри блока - Н1 = Н2 = 0.1 МПа,

- мощность выделяющаяся в блоке - Qб = 1,784 Вт.

Определяют удельную мощность корпуса блока - qк -

qк = Qб / Sк = 44.54 Вт/м²,

Определяют перегрев корпуса блока - Qк -

Qк = Qко * Ккп * Кн1,

где Qко - перегрев корпуса герметичного блока при давлении окружающей среды 0.1 Мпа

Qко = 0.1472 * qк - 0.2962 * 10^-3 * qк² + 0.3127 * 10^-6 * qк³,

Ккп -коэффициент учитывающий перфорацию корпуса блока, при Ккп = 1,

Кн1 - коэффициент учитывающий давление окружающей cреды, при H1 = 1 МПа, Кн1 = 1.2,

Получим - Qк = 5.28 К.

Определяют удельную мощность нагретой зоны блока - qз -

Qб

q_з =  = 0.066 Вт/ м²

2*(Lкх*Lку+(1/Lкх+1/Lку)*lк*lу*lz)

Определяют среднеобъемный перегрев нагретой зоны блока - Qз -

Qз = Qк + ( Qзо - Qко ) * Ккп * Кн2,

где Qзо - среднеобъемный перегрев нагретой зоны блока в герметичном корпусе при давлении воздуха внутри блока 0.1 Мпа,

Qзо = 0.139 * qз - 0.1223 * 10^-3 * qз² + 0.0698 * 10^-6 * qз³,

Кн2 - коэффициент учитывающий давление воздуха внутри блока, при Н2 = 0.1 МПа, Кн2 = 1.

Получим - Qз = 2.97 К.

Определяют среднеобемный перегрев воздуха внутри блока - Qв -

Qв = ( Qз + Qк ) / 2 = 4.12 К.

Определяют тепловую проводимость от микросхемы к корпусу блока через воздух внутри блока - бк -

где Ка - коэффициент, учитывающий теплоотдачу от корпуса микросхемы, Вт/м²*К,

Ка = 23.54 / ( 4.317 + lg ( Sэi ) ),

Получим тепловую проводимость для микросхем, Вт*м²-

бк1 =0.01941 бк2 =0.01941 бк3 =0.01941 бк4 =0.00946 бк5 =0.00946

бк6 =0.00937 бк7 =0.00946 бк8 =0.00946 бк9 =0.00903 бк10 =0.00903

бк11=0.00937 бк12=0.00946 бк13=0.00903 бк14 =0.00903 бк15=0.00903

бк16=0.00903 бк17=0.00903 бк18=0.00903 бк19=0.01230 бк20= 0.01019

бк20=0.01019 бк20=0.01019 бк20=0.01019

Определяют параметр - m -

Определяют эквивалентный радиус микросхемы - Ri -

R= Sэ/п

Для каждой микросхемы получим, м -

R1 = 0.01189 R2 = 0.01189 R3 = 0.01189 R4 = 0.00716 R5 = 0.00716

R6 = 0.00725 R7 = 0.00716 R8 = 0.00716 R9 = 0.00682 R10 = 0.00682

R11 = 0.00725 R12 = 0.00716 R13 = 0.00682 R14 = 0.00682 R15 = 0.00682

R16 = 0.00682 R17 = 0.00682 R18 = 0.00682 R19 = 0.01070 R20 = 0.00772

R21 = 0.00772 R22 = 0.00772 R23 = 0.00772

Определяют собственный перегрев корпуса микросхемы - Qэс -

Qэс = К * Qэ / ( a + 1 / ( c + 1 / ( b + d ) ) ) ,

где K - эмпирический коэффициент. Рекомендуется принимать

К = 1.14 для микросхем, центр которых отстоит от торцов печатной платы на расстоянии меньше 3R, К = 1 для микросхем, центр которых отстоит от торцов на расстоянии больше 3R.

a, b, c, d - обозначения, принятые для упрощенной записи формулы - ________

a = ( ( Ка - 4 ) * Ö Н2 / 105 + 4 ) * ( Sэ - Sэо ) ,

________

b = ( 4.5 * Ö Н2 / 105 + 4 ) * p * R*R,

с = dз / ( lз * p * R * R ),

d = 2* p * R * l1 * dп * m * ( К1 (m*R) / К0 (m*R) ),

где К0 (m*R) и К1 (m*R) - модифицированные функции Бесселя второго рода нулевого и первого порядка.

Проведя расчеты, получим для каждой микросхемы - Qэс , К -

Qэс1 = 0.19272 Qэс2 = 0.19272 Qэс3 = 0.19272 Qэс4 = 12.81684 Qэс5 = 12.81684

Qэс6 = 12.84973 Qэс7 = 12.81684 Qэс8 = 12.81684 Qэс9 =1.64644 Qэс10 =1.64644

Qэс11 = 4.11850 Qэс12 = 4.10796 Qэс13 =2.85961 Qэс14 =2.85961 Qэс15 =2.85961

Qэс16 = 38.12818 Qэс17 = 38.12818 Qэс18 = 38.12818 Qэс19 = 6.85716 Qэс20 = 9.40903

 Qэс21 = 9.40903 Qэс22 = 9.40903 Qэс23 = 9.40903

Определяют предельный радиус взаимного теплового влияния- Rпр-

1

Rпр = ,

K0 (m*R) + 4 * K0 (2.7*m*R)

m * ( 0.105 * m * + 0.155 )

1 / tx + 1 / ty

Получим для каждой микросхемы - Rпр , м -

Rпр1 = 0.03694 Rпр2 = 0.03694 Rпр3 = 0.03694 Rпр4 = 0.03689 Rпр5 = 0.03689

Rпр6 = 0.03689 Rпр7 = 0.03689 Rпр8 = 0.03689 Rпр9 = 0.03688 Rпр10 = 0.03688

Rпр11 = 0.03689 Rпр12 = 0.03689 Rпр13 = 0.03688 Rпр14 = 0.03688 Rпр15 = 0.03688

Rпр16 = 0.03688 Rпр17 = 0.03688 Rпр18 = 0.03688 Rпр19 = 0.03693 Rпр20 = 0.03689

Rпр21 = 0.03689 Rпр22= 0.03689 Rпр23 = 0.03689

В дальнейших расчетах зададимся Rпр = Rпр1-Rпр18 = 36 мм.

Определяют наведенный перегрев для микросхем

( Qэi * K0 (m*r_ji) / K0 (m*R_i) )

Qэф_ji = ,

 аi * ( 1 + ( c_i + 1 / a_i ) * ( bi + d_i ) )

где Qэф_ji - тепловое влияние i-той микросхемы на данную (j-тую),

r_ji - расстояние между центрами i-той микросхемы и данной,

a_i, b_i, c_i, d_i - обозначения, принятые для упрощения формы записи,

a_i = ( ( Каi - 4 ) * Ö Н2 / 10⁵ + 4 ) * ( Sэi - Sэоi ) ,

b_i = ( 4.5 * Ö Н2 / 10⁵ + 4 ) * p * Ri*Ri,

с_i = dз / ( lз * p * Ri * Ri ),

d_i = 2* p * Ri * l1 * dп * m * ( К1 (m*Ri) / К0 (m*Ri) ),

Qэi, Ri, Каi, Sэi, Sэоi - параметры i-той микросхемы.

При расчетах необходимо учесть влияние только тех микросхем, центры которых отстоят от центра данной не далее Rпр.

Произведя расчеты получим Qэф , К–

Qэф1 = 0.02444 Qэф2 =0.01262 Qэф3 = 1.30447 Qэф4 = 0.92994 Qэф5 = 1.27076

Qэф6 = 1.07639 Qэф7 = 1.16395 Qэф8 = 0.93818 Qэф9 = 3.53786 Qэф10 = 0.48943

Qэф11 = 0.63164 Qэф12 = 1.06709 Qэф13 =,1.26717 Qэф14 =1.07594 Qэф15=2.74241

Qэф16=0.50932 Qэф17=0.48049 Qэф18=1.35534 Qэф19=2.35717 Qэф20 =1.37697

Qэф21=2.60099 Qэф21= 2.30956 Qэф21=1.42029

Определяют перегрев корпуса микросхемы относительно базовой температуры - Qэ -

Qэ = Qв + Qэс + Qэф,

Для каждой микросхемы получим - Qэ , К -

Qэ1 = 4.34575 Qэ2 = 4.33394 Qэ3 = 5.62579 Qэ4 = 17.87538 Qэ5 = 18.21619

Qэ6 = 18.05471 Qэ7 = 18.10938 Qэ8 = 17.88361 Qэ9 = 9.31290 Qэ10 = 6.26447

Qэ11 = 8.87874 Qэ12 = 9.30365 Qэ13 = 8.25538 Qэ14 = 8.06415 Qэ15 = 9.73062

Qэ16 = 12.76610 Qэ17 = 12.73727 Qэ18 = 13.61212 Qэ19 = 13.34293 Qэ20 = 14.91460

Qэ21 = 16.13862 Qэ22 = 15.84719 Qэ23 = 14.95791

Определяют температуру корпуса микросхемы - tэ -

tэ = to + Qэ ,

Для каждой микросхемы получим - tэ , К -

tэ1 = 297.34575 tэ2 = 297.33394 tэ3 = 298.62579 tэ4 = 310.87538 tэ5 = 311.21619

tэ6 = 311.05471 tэ7 = 311.10938 tэ8 = 310.88361 tэ9 = 302.31290 tэ10 = 299.26447

tэ11 = 301.87874 tэ12 = 302.30365 tэ13 = 301.25538 tэ14 = 301.06415 tэ15 = 302.73062

tэ16 = 305.76610 tэ17 = 305.73727 tэ18 = 306.61212 tэ19 = 306.34293 tэ20 = 307.91460

tэ21 = 309.13862 tэ22 = 308.84719 tэ23 = 307.95791

Определяют перегрев воздуха для микросхемы относительно базовой температуры - Qвэ -

Qвэ = Qэ - Qэс,

Для каждой микросхемы получим - Qвэ , К -

Qвэ1 = 4.30879 Qвэ2 = 4.15220 Qвэ3 = 5.14290 Qвэ4 = 5.36025 Qвэ5 = 5.39936

Qвэ6 = 5.20498 Qвэ7 = 5.29254 Qвэ8 = 5.06677 Qвэ9 = 7.66646 Qвэ10 = 4.61803

Qвэ11 = 4.76024 Qвэ12 = 5.19569 Qвэ13 =5.39577 Qвэ14=5.20454 Qвэ15 =6.87100

 Qвэ16 =4.63792 Qвэ17 =4.60909 Qвэ18 =5.48394 Qвэ19 =6.48577 Qвэ20 =5.50557

Qвэ21 =6.72959 Qвэ22 =6.43816 Qвэ23 =5.54888

Определяют температуру воздуха для микросхемы - tвэ -

tвэ = to + Qвэ ,

Для каждой микросхемы получим - tэ , К -

tвэ1 = 297.15303 tвэ2 = 297.14122 tвэ3 = 298.43307 tвэ4 = 298.05854 tвэ5 = 298.39936

tвэ6 = 298.20498 tвэ7 = 298.29254 tвэ8 = 298.06677 tвэ9 = 300.66646 tвэ10 = 297.61803

tвэ11 = 297.76024 tвэ12 = 298.19569 tвэ13 = 298.39577 tвэ14 = 298.20454 tвэ15 = 299.87100

tвэ16 = 297.63792 tвэ17 = 297.60909 tвэ18 = 298.48394 tвэ19 = 299.48577 tвэ20 = 298.50557

tвэ21 = 299.72959 tвэ22 = 299.43816 tвэ23 = 298.54888

Рабочий диапазон температур микросхем: . Согласно технического задания контроллер предназначен для использования в качестве переносного оборудования при температуре . Температура корпуса микросхемы (согласно расчета) будет составлять , что входит в рабочий диапазон эксплуатации элементов. Принудительное охлаждение не требуется, согласно с графиком рекомендации выбора способа охлаждения.[ 3, Стр. 164 ]

Литература

1.    Электронные вычислительные машины. Справочник. Под ред. С.А. Майорова, М.: Сов. радио, 1975

2.    A.Я.Куземин «конструирование и микроминиатюризация электронно вычислительной аппаратуры». М:Радио и связь. 1985.

3.    Технология и автоматизация производства РЭА. Под ред. А.П. Достанко, М.: Радио и связь, 1989

4.    Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. Справочник. Под ред. Э.Т. Романычевой, М.: Радио и связь, 1984

5.    Аппаратура локальных сетей. Под ред. Ю.В. Новикова, М.: Издательство "ЭКОМ", 1998

6.    Справочник разработчика и конструктора РЭА. Справочник. Под ред. М.Ю.Масленникова, М.: Издательство "Прибор", 1993

7.    В.В. Шерстнев. «Конструирование и микроминитюризация ЭВМ», М.: Радио и связь, 1984

8.    А.Я. Савельев, В.А. Овчинников. «Конструирование ЭВМ и систем», М.: Высшая школа, 1989

9.    В.В. Павловский, В.И. Васильев, Т.Н. Гутман. «Проектирование технологических процессов изготовления РЭА», Пособие по курсовому проектированию: Учеб. пособие для вузов, М.: Радио и связь, 1982