4. Выбор способа охлаждения функциональной ячейки

Для предварительного выбора способа охлаждения можно использовать следующую методику выбора системы охлаждения.[10]

На рисунке 3 представлены два типа областей: не заштрихованный - можно рекомендовать применение какого-либо одного способа охлаждения (1 - свободное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 - принудительное испарительное); заштрихованный - возможно применение двух или трёх способов охлаждения (2 - свободное и принудительное воздушное, 4 - принудительное воздушное и жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и свободное испарительное, 7 - принудительное жидкостное, принудительное и свободное испарительное, 8 - свободное принудительное и свободное испарительное, 9 - свободное и принудительное испарительное).

Рисунок 3 - Области целесообразного использования различных способов охлаждения.

Тепловой режим ячейки состоит из температур всех элементов, установленных на ней.

Диапазон рабочих температур составляет от -40ºС до 65ºС.

Т_среды= +50°С – максимальная возможная температура среды;

Т_мах=+75°С – наименьшая из предельных (максимальных) температур всех ЭРЭ (температура работы микросхем N74F393D)

Мощность, рассеиваемая на всех элементах ячейке Q= 30,654 Вт.

Площадь условной поверхности охлаждения нагретой зоны определяется по формуле:

где L₁, L₂ и Н – линейные размеры нагретой зоны. L₁, L₂ – принимаются равными размерам печатной платы, так как все элементы рассеивающие мощность находятся на ней.

Н - определяется высотой элементов и толщиной печатной платы, разъёмы исключены из расчёта и Н = 3,4мм;

К - коэффициент плотности компоновки,

При расчёте для функциональных ячеек К = 1. Размеры печатной платы стандарта 6U составляют: 240 мм х 150 мм.

S_з =2[L₁ * L₂ +( L₁ + L₃) * H *K = 2 *[240*160 + (240 + 160)*11,6 + 1,5)*1] = 77246 мм²= 0,077347 м²

Удельная мощность нагретой зоны вычисляется по формуле:

.

Допустимый перегрев, определяется температурой окружающей среды и минимальной предельной рабочей температурой и рассчитывается по формуле:

;

.

Находя точку пересечения двух значений на диаграмме, определяется способ охлаждения.

Рисунок 4 - Выбор способа охлаждения для данного случая

На диаграмме точка попала в зону 2, где возможно как свободное воздушное, так принудительное воздушное. Ячейка устанавливается в блок, а блок устанавливается в шкаф с продувом воздуха, при этом ей будет присуще принудительное воздушное охлаждение.

5. Расчет и анализ надежности.

Прогноз безотказности ЭРЭ иностранного производства выполнен по методу анализа нагрузок на элементы. В основе метода лежат так называемые коэффициентные модели, когда базовая интенсивность отказов для каждой группы изделий дополняется коэффициентами, учитывающими особенности режимов и условий работы элементов [24].

В общем случае интенсивность отказов зависит от следующих факторов:

• Электрического режима работы элементов

• Температуры окружающей среды

• Влажности

• Давления

• Вибрационных воздействий

• Механических ударов

• Линейных ускорений

• Воздействий биологических факторов

• Радиации и т.д.

Тогда интенсивность отказов рассчитывается по формуле [19], [24]:

- номинальная интенсивность отказов элементов;

К...К- поправочные коэффициенты общие для всей конструкции;

К- учитывает вибрацию;

К- учитывает ударные нагрузки;

К- учитывает влияние влажности;

К- учитывает влияние атмосферного давления;

- коэффициент режима.

К_{Э -} коэффициент эксплуатации, был выбран в пункте 1.5.2 и равен К_Э=2,0.

В связи со спецификой данного оборудования коэффициенты К...К не учитываются, так как на ходу данная аппаратура не работает, шкаф и кабина имеют систему кондиционирования воздуха и поддержания температуры.

Тогда интенсивность отказов изделия определяется по формуле [19]:

,

где k – количество элементов на плате.

Коэффициент режима К_р определяется по таблице [19] для каждого из элементов с помощью коэффициента нагрузки К_Н, который в худшем случае равен К_Н=0,5. Пайка и разъемы имеют К_Н=1.

Промежуточные результаты расчетов сведены в таблицу 7:

Тип элемента	Обозначение элементов на схеме	Число элементов Ni,шт	λ0 *10-6, 1/ч	КР	N*КР* λ0*(10-6), 1/ч
530КП11	D1,D2,D3,D8,D88…D91,D93,D94	13	0,024	1	0,312
1533КП11	D4,D16,D3,D5,D7,D9	6	0,0036	1	0,0216
1804ВУ4	D6,D8,D10	3	0,00467	1	0,011675
1533ТМ2	D7	1	0,048	1	0,024
530ЛИ3	D8,D28,D29,D36,D52	5	0,086	1	0,172
530ЛА1	D9	1	0,006	1	0,003
530ЛН1	D10	1	0,08	1	0,08
530ИД7	D15,D20,D21,D22,D7, D9	6	0,037	1	0,0185
530ТМ9	D17,D18,D19,D31,D34	5	0,0236	1	0,0118
530ЛЕ1	D23,D26	2	0,03	1	0,0185
530ТМ2	D26	1	0,08	1	0,24
585АП16	D31,D33	2	0,0236	1	0,0236
585АП26	D32,D34,D69,D70…D76	10	0,0309	1	0,04635
530ЛА3	D35,D43,D62,D62	4	0,082	1	0,123
533ЛЛ1	D37	1	0,0236	1	0,0118
1533ИР24	D38…D41,D44….D47	8	0,0309	1	0,01545
1533ИР37	D42,D49,D53,D55	4	0,0315	1	0,01825
533ЛП8	D48,D49,D50	2	0,0054	1	0,0027
1533ЛИ1	D51	1	0,316	1	0,32
5861РР1Т	D57…D60,D77…D80	1	0,0606	1	0,0303
1533КП11	D86	8	0,0024	1	0,0336
249КП4АТ	D56	1	0,006	1	0,011675
Б18-11	D96…D103	8	0,02	1	0,024
К53-18-16 В-10 мкФ±20 %-В	C1,C2	2	0,03	0,52	0,056576
К10-17а-Н90-0,68 мкФ-В	C3…C22	20	9,7E-05	0,59	0,000887
Вилка СНП58-72/104х14В-21-1-В	X1,X2	2	0,32	1	0,64
Контакт контрольный АИСТ.745423.003	XN1…XN28	28	0,0024	1	0,0672
Суммарная интенсивность отказов	2,523976

Итоговая интенсивность отказов с учётом коэффициента эксплуатации:

Средняя наработка на отказ определяется по формуле:

;

Вероятность безотказной работы для времени, заданного в техническом задании равна:

Сравнение результаты расчета поверочного и уточненного, показывают что используемые элементы в облегченном электрическом режиме повышает надежность устройства в целом. Так как вероятность безотказной работы значительно превышает заданную, то устройство не требует дополнительного резервирования.