Исследование и расчет тепловых режимов в узлах и блоках ЭВС

Цель лабораторной работы: Моделирование и экспериментальное исследование теплового режима системного блока и узлов ЭВС, а также изучение инженерных моделей и методик теплового расчета блоков.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Общие сведения

В процессе эксплуатации конструкции ЭВМ могут подвергаться внутренним и внешним тепловым воздействиям положительных и отрицательных температур, источниками которых являются как элементы самой ЭВМ, так и окружающая среда или объект установки.

Для понимания задачи защиты конструкций изделий ЭВМ от тепла необходимо рассмотреть баланс энергии, подводимой и отводимой от изделия. Некоторая часть энергии, подводимая к изделию от источника электропитания, предназначена для выполнения элементами ЭВМ полезных функций обработки ,хранения и передачи электрических сигналов, однако гораздо более значительная часть энергии рассеивается в виде тепла и идет как на нагрев самих элементов (деталей, узлов) конструкции, так и на нагрев окружающей среды .

Соотношение полезной энергии и энергии, рассеиваемой в виде тепла, определяется коэффициентом полезного действия:

где подводимая к изделию энергия от источника питания;

полезная энергия, затрачиваемая на функционирование изделия;

энергия, затрачиваемая на нагрев элементов;

энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве.

Температура нагрева изделия оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи тепла в окружающую среду. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур изделия и окружающей среды. Кроме этого, следует помнить, что нагрев изделия определяется величиной энергии, зависящей от времени. Если за определенный промежуток времени в изделии выделяется тепла больше, чем оно может рассеять в окружающую среду, то тепло идет на нагрев элементов конструкции. До тех нор, пока выделение тепла не будет компенсироваться его рассеиванием, нагрев элементов прогрессирует нестационарный режим. В зависимости от конструкции изделия, а также условий окружающей среды, че­рез некоторое время наступает установившийся (стационарный) режим, при котором дальнейший нагрев элементов прекращается, и в окружающую среду" отдается постоянная тепловая энергия.

При некотором значении температуры поверхности изделия количество тепла, отдаваемое в окружающую среду, и количество тепла, выделяемое внутри изделия, оказываются равными (состояние теплового равновесия) и температура стабилизируется. Установившееся значение температуры определяется количеством тепла, выделяемого внутри изделия, и интенсивностью процесса отдачи тепла в окружающую среду, а также температурой окружающей среды.

Элементы, выделяющие тепло, называют источниками, поглощающие -стоками, а сам процесс - теплообменом. Конструкции изделий ЭВМ представляются в этом случае в виде системы тел с сосредоточенными многочисленными источниками и стоками тепла. Поскольку выделение тепла происходит в определенном объеме, то это теплорассеивающее пространство называют нагретой зоной. Реальная нагретая зона имеет весьма неравномерное расположение источников тепла и ограничивается, как правило, стенками корпуса (каркаса, кожуха). Таким образом, конструкцию ЭВМ с тепловой точки зрения можно представить, как совокупность определенных нагретых зон различной иерархии, вложенных друг в друга.

1.2 Тепловой режим изделий эвм

Температурное состояние изделия, т.е. его пространственно-временное изменение температуры в зависимости от мощности источников и стоков энергии, от физических и геометрических параметров изделия и окружающей среды называют тепловым режимом изделия.

Тепловой режим изделия считается нормальным, если обеспечивается нормальный тепловой режим всех без исключения составных частей конструкции (ИМС, ЭРЭ, соединений, материалов и т.п.).

Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если выполняются два условия: температура элемента (или окружающей элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него, независимо от изменения температуры окружающей изделие среды ; температура элемента должна быть такой, чтобы обеспечивать его функционирование с заданной надежностью.

Первое условие обязательно для каждого элемента, второе определяется заданными в техническом задании на ЭВМ показателями надежности.

Тепловой режим любого электронно-вычислительного устройства можно охарактеризовать тепловой напряженностью, определяемой объемной или поверхностной плотностью теплового потока.

Объемная плотность теплового потока определяется как

где - мощность рассеивания изделия, Вт ; к - коэффициент

потерь мощности (для цифровых устройств к- 0,8...0,9); Р потребляемая мощность, Вт; V- объем изделия (нагретой зоны),дмЗ

Тепловая напряженность, как видно из формулы, приведенной выше, обратно пропорциональна объему изделия или прямо пропорциональна отношению поверхности теплоотдачи 5 к объему, т.е. . Обычно значение q для конструкций ЭВМ от 20 до 100 .

По аналогии, поверхностная плотность теплового потока определяется как

Площадь поверхности теплоотдачи находится обычно как площадь нагретой зоны

где - геометрические размеры изделия, м.

Однако очень часто при определении тепловых режимов конструкций ЭВМ учитывают неравномерное расположение источников тепла. В этом случае используют понятие эквивалентной нагретой зоны. Реальное тепловыделяющее пространство заменяется пространством с равномерно распределенными источниками тепла, реальная поверхность нагретой зоны - изотермической поверхностью некоего прямоугольного параллелепипеда с определенной среднеповерхностной температурой и средним перегревом поверхности.

Тогда обычно принимают из, где - коэффициент заполнения изделия элементами (источниками тепла).

Коэффициент заполнения можно определить как

где - объем i-ro элемента ЭВМ ; п - число элементов в изделии. Поверхность теплоотдачи эквивалентной нагретой боны определяется как

Требования, предъявляемые к габаритам конструкций современных ЭВМ таковы, что отношение выделяемой в изделиях тепловой энергии к энергии, рассеиваемой их поверхностью теплоотдачи, постоянно увеличивается.

С применением в современных ЭВМ БИС и СБИС с очень высокой плотностью размещения активных элементов на кристалле и с появлением плат, содержащих сотни ИМС, вопросы обеспечения нормального теплового режима встают перед разработчиками ЭВМ как никогда остро.