Защита от температурных воздействий.

Тепловые ребимы, источники выделения тепла, пути переноса тепловой энергии в аппаратуре. В настоящем микроэлектронная аппаратура связана с использованием больших мощностей при сравнительно малых объемах, что приводит к увеличению мощности рассеивания, а следовательно к увеличению плотности рассеиваемой теплоты. Сегодня плотностьмощности рассеивания составляет до 10 ватт/сантиметр квадратный. Поэтому при конструировании аппаратуры большое значение обретает методы отвода тепла, регулирования и контроля теипературы. (1585 фото).

Тепловой реж блока ЭВМ характер совок-ю теипературы отдельных его точек - температ-мполем. Кесли темп в любой точке блока не выходит за допустимые режимы, то такой тепл реж назыв нормальным.

Ннадо помнить, что изменение темп относи-но нормальной внутри на каждые 10 градусов в любую сторону уменьшает срок службы аппаратуры в 2 раза. Обеспечение норм теплового режима пиводит к усложнению конструкци, увеличению габбаритов и веса, установки допол-го оборудования и затратам эл энергии.

При низких температурах для обеспечения работоспособности осуществляют нагрев в продолжении некоторого времени помещения и при достижении внутри аппаратуры нормальной температуры приступают к ее эксплуатации. Если температурное поле неизменно во времени внутри блока, то тепловой режим называют стационарным если значения величин темп поля во времени изменяются, то такой тепловой реж назыв нестационарным. Этот режим имеет место в том случае, когда собственная теплоемкость ЭВМ соизмерима с кол-м теплоты, выделяемой при работе. Обычно нестанионарный режим имеет место при повторяющихся тепловых нагрузках. По характеру направленности теплового потока различают термоактивные элементы и термопассивные. Термоактивные - это источники тепловой энергии, а термопассивные - приемники.

Перенос теплоты от нагретого тела к холодному или к окружающей среде происходит за счет тееплопроводности конвекции и теплового излучения. Теплопроводность - это процесс обмена тепловой энегрией между находящимися в соприкосновении телами, обусловленный взаимодействием молекул и атомов этих тел. Конвекция - это перенос энергии частицами газа или жидкостями. Перенос теплоты излучения происходит за счет певращения тепловой энергии в энергию излучения.

Для описания всех 3-х видов теплообмена мо3о использовать следующее простое соотношение:

ф=альфа*эс*дельтатэ

ЭФ - тепловой поток в ватах

Альфа - коэффициент теплоотдачи

эс - площадь

Дельтатэ - перепад температур между металлическими поверхностями.

В реальных услов-х теплообмен осущ одновременно 2-мя или 3-мя видами, что делаетпрактически невозможным точный расчет температурного поля, поэтому на практике расчет проводят для одного эффективного теплообмена. Технич реальзация систем охлаждения может идти: (фото 1594).

а) охлаждение теплопроводчика;

б) естественная воздушная в герметизированном корпусе;

в) естественные негерметизированном корпусе

г) и д) принудительная воздушная в герметизированном, д) негерметизированном корпусе;

е) принудительное жидкостное.

а) охлаждение теплопроводчика.

1. Стенка прибора.

2. Интегр схема.

3. Теплоотвод.

4. Печатная плата.

Передача теплоты теплопроводностью пред соб процесс обмена кинетической энергией между молекулами вещества и диффузией электронов. Это явление имеет место, когда температура в различных точках одного вещества различно или когда контактируют 2 тела с различной степенью нагрева.

Способы охлаждения характеризуются коэффициентом теплоотдачи. К,Вт/м^2,град

Таблица:

1. Система охлаждения.

- естественная воздушная, излучением.

- принудительная воздушная.

- естественная жидкостная.

- принудительная жидкостная.

2. К, коэффициент теплоотдачи.

- 2-10

- 10-150

- 200-600

- 500-120000

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) утверждает, что кол-во теплоты, проходящее через тело в единицу времени прямо пропорционально площади поперечного сечения нормально потоку теплоты и температурному градиенту вдоль потока.

Ф=dQ/d*тау=лянда*эс(dt/dx)

Ку- колличество теплоты

Тау - время.

Лянда - константа, харак-я теплопроводность материала.

В случае, когда теплофизические характеристики вещества прямо пропорциональны во всех точках, а тепловой поток имеет составляющие по 3-м координатам, тогда уравнение приобретает вид:

Дэльта^2*тэ/дэльта*Х+Дэльта^2*тэ/дэльта*У^2+Дэльта^2*тэ/дельта*зетв квадрате, затем тоже самое, в знаменателе: лянда, це*гамма, дельта*тау

Ку - колличество теплоты и пред собой мощность внутренних источников в единице объема.

Це - удельная теплоемкость вещ-ва. (дж*кг/гр. Кельвина)

Гамма - плотность вещ-ва

Тэ - температура

Х - линейная координата

По скорости распостранения температуры по объему вещества при существующем источнике тепла.

Лянда, деленная на це*гамма ноль пропорционально скорости изменения температуры во времени в веществе.

Для случая передачи теплоты через плоскую стенку, толщиной: (фото)

Тэст - температура стенки одной и второй. Если теплопровод-ть стенки не зависит от темп,то внутри стенки она убывает по линейному закону.

Коэф теплопровод-ти лянда для разных веществ различен.

Таблица:

1. Материал.

- серебро.

- медь.

- алюминий.

- никель.

- олово.

- сталь низкоуглеродистая.

- сталь нержавеющая.

- стеклотекстолит.

- воздух.

- компаунд.

2. Х коэффициент теплопроводности.

- 416.

- 390.

- 210.

- 60.

- 67.

- 46.

- 14.

- 0,231-0,335.

- 0,023.

- 0,64.

Формула : фото

эль - длина пути передачи теплоты

G=альфа*эс/эль - проводимость теплового потока.

Ф=G*дельтатэ

1/G=R

R=эль/лянда*эс - сопротивление.

Фото рисунок на правой стор доски: фото.

Фото слева на основной доске. Фото

Тэст1-Тэст2=КУ*бэ1/лянда1*эс

Тэст1-Тэст3=КУ*бэ1/лянда2*эс

Тэст1-Тэст4=КУ*бэ1/лянда3*эс

Подставляя одно в другое получим:

Фото на правой: фото.

Из формул следует, что для уменьшения тэст1 следует увеличить площадь теплоотводящей поверхности, уменьшить колличество выделяемой теплоты, выбрать материалы с высокой теплопроводностью.

Естественное и принудительное воздушное охлаждение. Эти способы охлаждения наиболее просты и доступны. Теплота от корпусов ИМС передается окр среде за счет естественной конвенции. Эффективность воздушного охлаждения тем больше, чем больше разность темпеератур между корпусом ИМС и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса. Большое значение имеет плотность окр среды. Если она уменьш, отвод тепла от пов-ти корпуса тоже уменьшается. Принцип охлаждения естественной конвенции основан на том, что слои среды окружающей МС нагреваются от корпуса и обладая наиболее большейкинетич энергией перемещ вверх и перемещ в более холодную ПМ. АрарраЧем больше объем замещаемой среды, тем эффективней теплообмен. Эффективность теплообмена в естественной конвенции зависит от расположения ТЭЗ в объеме машины. При вертикальном расположении воздушному потоку препятствий меньше и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении МС смена слоев воздуха затруднена. Имеется ввиду, что теплоотвод осущ конвекцией. Эффективность естественного воздуш охлаж тем больше, чем больше разность темпера-р и чем больше поверхность кррпуса ЭВМ, еще влияет плотность окруж среды (давление).

Естественное охлаждение широко используется в бытовой аппаратуре, когда плотность епловых потоков от охлаждаемых поверхноостей не более, чем 0,05 Вт/см^2. Принцип охлаждения естеств конвек основан на том,, что слои воздуха или другой газовой среды нагреваются от выделяющего теплоту корпуса и обладая большей кинетической энергией перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше и эффективней обмен. В худшем положении будут элементы, кот находятся в верхней части машины, т.к. замещение холодным воздухом не происходит. При компоновке стремятся к тому, что вот так расположить элементы на плате и сами ТЭЗ (тепловой элем замены) в объеме машины, что бы не было ярко выраженных мест с высокой температурой. В общем виде для случая естественной конвекции тепловой поток рассчитывается в соосветствии с выражениями. (3::).

Физический смысл в перечисленных выше критериях следующий:

Критерий Нуссельта - характеризует соотношение интенсивности конвекривного теплообмена и теплопроводности в престеночном слое газообразной или жидкой среды.

Критерий Грасгофа - характеризуется отношение подъемной и вязкой сил при свободной конвекции в потоке газа (жидкости).

Критерий Пранлтля - характеризуются физические свойства среды.

Критерий Рейнольдса - характеризует соотношение сил инерции и трения в потоке теплоносителя.

Критерий Пекле - характеризует отношение конвективного и молекулярного переноса теплоты в потоке среды.

Критерий Фурье - характеризует скорость изменения температурного поля.

Критерий Био - характеризует связь между полем температур твердого тела и условиями теплообмена на его поверхности.

Различают конструкции с перфорированным и герметическим корпусом. В перфорированном корпусе предусматриваются вентиляционные отверстия различной формы. Круглые отверстия имеют диаметр 4, 6, 8 или 10 мм, квадратные могут иметь размер 4х4 мм, прямоугольные размер 3х25,4 и 3х50 мм. Суммарная пощадь вентиляционных отверстий должна составлять 20-30%, так называют от живого сечения, под которым понимают свободную для прохода конвективных потоков площадь сечения прибора. Что бы не припятствовать поступлению кнвективных потоков внутри прибора между дном и установочной поверхностью должно быть не менее 30 мм. Часто вне стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Зазоры по горизонтали между модулями при конвективном теплообмене дол быть не менее 10 мм. Циркуляция воздуха в машинах с герметическим кожухом появляется в следствии разности плотности воздуха, нагретого внутри машины и более холодного у стенок корпуса. При расчете теплового режима ЭВМ с естественным воздушным охлаждением определяют колличество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия.

Колличество теплоты, удаляемой от поверхности S конвекривным теплообменом в Вт.

Q=4,187*10^(-4)*h'c*S*delta_t

h'c - коэффициент конвективной передачи

(4::).

Таким образом наилучшая ориентация платы - вертикальная с напавлением потока воздуха вдоль ее короткой стороны.

Практика показывает,что аппаратура в нормальных условиях при естественном воздушном охлаждении может создавать тепловой потой до 0,25 Вт/см^2. Охлаждаемые поверхности при допустимом перегреве поверхности корпуса 30с и макс тепмературе воздуха +50 град цельс. При таких условиях блок, объемом 1 куб дм и площадью поверхности 600 кв см можно рассчитывать на мощность15-30 Вт. При уменьшении давления теплопередача уменьшается. Пример. На высоте 4 км коэф теплопередачи около 0,8, на замле до 30% падает из - за давления воздуха.