5.4. Методика проведения расчета стационарного блока при принудительном охлаждении

Дополнительными исходными данными являются: мощность Qи КПД η_ввентилятора, расход охлаждающего воздухаС, кг/с.

Расчет теплового режима блока вторичного электропитания можно разделить на два этапа: определение коэффициентов теплоотдачи от модулей первого уровня и расчет температуры компонента[1].

Этап 1. Расчет коэффициентов теплоотдачи

1

(88)

. Определяем площадь свободного сечения канала между двумя соседними модулями первого уровня на расстоянииxот входа охлаждающего потока воздуха. Обозначим черезl_x размер стороны печатной платы, перпендикулярной направлению охлаждающего потока, а черезl_y- размер стороны платы, перпендикулярной направлению охлаждающего потока. Расстояниеxопределяется размерами компонента, для которого проводится тепловой расчет (рис. 18):

г

(89)

деn_x– число компонентов, расположенных в канале между платами в сеченииx;S_эyi – площадь поперечного сеченияi-го компонента в сеченииx; Δ_n– расстояние между несущими платами.

2. Рассчитываем эквивалентный диаметр канала:

гдеl_эzi – высотаi-го компонента.

3. Определяем перегрев воздуха в сечении канала на расстоянии x:

при проточной вентиляции

п

(90)

(91)

ри вытяжной вентиляции

гдеQ_эj– мощностьj-го компонента, расположенного перед корпусом рассчитываемого компонента по направлению воздушного потока в канале;n_y – число таких компонентов.

Рис. 18

На рис. 18 показана модель воздушного канала между двумя модулями (1) с элементами (2).

4

(92)

. Определяем температуру воздуха в сечении канала на расстоянииx:

5. Рассчитываем критерий Рейнольдса:

г

(93)

(94)

деv_в – коэффициент кинематической вязкости воздуха;ρ_в– плотность воздуха;N_n– число печатных плат блока.

Величины v_в и ;ρ_вопределяются при температуре воздухаt_в(см. табл. 6).

6. Определяем коэффициент теплоотдачи для канала, в зависимости от типов корпусов компонентов в сечении на расстоянии x.

прямоугольные корпуса со штыревыми выводами

ц

(95)

илиндрические корпуса

плоские корпуса с планарными выводами

где λ_в– коэффициент теплопроводности воздуха при температуреt_в(см. табл. 6).

7. Аналогичным образом пп. 1…6 определяем коэффициент теплоотдачи α₂в соседнем канале, то есть по другую сторону печатной платы, на которой расположен рассчитываемый компонент.

Этап 2. Расчет температуры поверхности корпуса микросхемы

Расчет температуры компонента проводится по пп. 1…5 этап 3 анализа теплового режима блока ИВЭП при свободной конвекции [см. (60) – (63)].

На этом расчет теплового режима блока ИВЭП при принудительном охлаждении заканчивается.

5.5. Методика проведения расчета радиаторов

Перегрев компонентов ИВЭП можно существенно уменьшить путем увеличения теплоотдающей поверхности, то есть установки компонента на радиатор.

Для систем воздушного охлаждения широко применяют следующие типы радиаторов [3], [1]: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, типа «краб», жалюзийные, петельно-проволочные.

Для характеристики теплообменных свойств радиатора используют следующие параметры: эффективный коэффициент теплоотдачи α_эф, тепловую проводимость σ_Σ, тепловое сопротивлениеR_Σ.

Э

(96)

ти параметры связанны со средним перегревомθ_sоснования и рассеиваемым потокомФзависимостями

гдеL₁L₂– размеры основания прямоугольного радиатора;D– диаметр круглого основания.

Представленная зависимость справедлива для любого типа радиатора. Вся сложность переноса теплоты и конструктивные особенности сосредоточены здесь в одной величине – эффективном коэффициенте теплоотдачи. Этот коэффициент можно определить экспериментально, либо расчетным путем. В первом случае в основу положена зависимость (96), которая позволяет по полученным из опытов значениям Фиθ_s, определить α_эф.

Обобщение результатов расчетов и опытов позволило построить графики, на которых представлены зависимости α_эф=f₁(θ_s), α_эф=f₂(υ) для различных радиаторов, работающих в условиях свободной и вынужденной конвекции. На рис. 19 приведены графики для игольчато штыревых радиаторов с различным шагомS^‘_ш(сплошные кривые 1,2,3,4) иS^‘’_ш(пунктирные кривые 5,6,7,8). Заштрихованные области 9, 10, 11 относятся к ребристым радиаторам, у которых размер квадратного основания меняется от 40 до 80 мм.

Рис. 19

Рис. 20

В табл. 8 приведены значения высоты h, шаговS^‘_шиS^‘’_ш, диаметров штыряd, толщины ребра δ₁. Область 12 относится к группе пластинчатых радиаторов с размерами ребра квадратного основания от 40 до 155мм.

На рис. 20 представлен эффективный коэффициент теплоотдачи в зависимости от скорости вынужденного потока воздуха для тех же типов радиаторов, размеры которых указаны в табл. 8. При этом шаг между штырями или ребрами обозначен S^‘_ш(сплошные кривые) и S^‘’_ш(пунктирные кривые). Размеры квадратного основания пластинчатого радиатора (область 12) L₂изменяются в пределах от 40 до 125 мм.

Таблица 8

Номера пози­ций радиато­ров по рис. 19	Размеры, мм
	h	S‘ш	S‘’ш	d	δ1	L1	L2
1	32	7	5	2,5	­­–	–	–
2	20	7	5	2	–	–	–
3	15	7	5	2	–	–	–
4	12,5	7	5	2	–	–	–
5	32	9	7	2,5	–	–	–
6	20	9	7	2	–	–	–
7	15	9	7	2	–	–	–
8	12,5	9	7	2	–	–	–
9	32	10	5	–	1	40-80	40-125
10	20	10	5	–	1	40-80	40-125
11	12,5	10	5	–	1	40-80	40-125

Методика расчета радиатора следующая[4]:

1

(97)

. Определяем перегрев в месте крепления компонента к радиатору по следующей формуле:

г

(98)

деR_вн– внутреннее тепловое сопротивление прибора между рабочей областью и корпусом;R_к– тепловое сопротивление контакта;t_c– температура окружающей среды или набегающего потока;t_p– предельная температура рабочей области прибора;t_и– температура в месте крепления прибора к радиатору.

2. Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора. Для этого введем безразмерную величину β, связывающую среднюю температуру t_sоснования радиатора и температуруt_ив месте крепления прибора к радиатору (в первом приближении β = 1,2):

3. Выбираем тип радиатора. Эта процедура является эмпирической и предполагает знание сравнительной эффективности различных типов радиаторов. В первом приближении выбрать тип радиатора и условия теплообмена можно с помощью графиков изображенных на рис. 21.

Рис. 21. Графики выбора типа радиатора: при свободной конвекции - пластинчатые (1), ребристые (1…4), игольчато-штыревые (1…5), при вынужденной конвекции – пластинчатые (3), ребристые (6…8), петельно-проволочные (8,9), жалюзные (10,11), игольчато-штыревые (11,12)

Рис. 22. Температурное поле радиатора – 1 и прибора – 2

На рисунке 22 схематически изображен радиатор 1 с закрепленным на нем прибором 2, внутри которого имеются источники мощностью Ф, разогревающие рабочую область прибора (например, область p-n-перехода) и его корпус до температурt_p и t_к; в месте крепления прибора к радиатору температура t_и, а средняя температура основания радиатора t_s.

При выборе радиатора предполагается, что удельная мощность рассеивания q задана и точка пересечения параметров t_s -t_cиqуказывает область, которой соответствует определенный тип радиатора и условия охлаждения.

4. Определяем эффективный коэффициент теплоотдачи радиатора.

Графики зависимости коэффициента теплоотдачи игольчато-штыревых и ребристых радиаторов приведены на рис. 19 и 20, а их конструктивные параметры в табл. 8.

В условиях принудительного воздушного охлаждения коэффициент эффективности теплоотдачи этих радиаторов выбирается в зависимости от скорости потока воздуха ν из графика изображенного на рис. 20.

5

(99)

. Находим площадь основания радиатора:

6

(100)

. Определяем средний перегрев радиатора во втором приближении:

где

λ_р– коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор; δ_р– толщина основания радиатора; А_ии А_рплощади основания прибора и радиатора соответственно.

7. Уточняем площадь основания радиатора:

Теплоотвод-пластину рекомендуется применять при рассеиваемой мощности не более 5Вт. При значениях мощности более 5Вт габаритные размеры теплоотвода очень велики. Теплоотводы оребренные, штыревые, петельно-проволочные, типа «Краб» целесообразно применять для отвода мощностей Р=5—20 Вт при температуре окружающей среды до +120ºС. При значениях рассеиваемой мощности свыше 20Вт и температуре окружающей среды выше +120ºС эти конструкции необходимо использовать в условиях принудительного воздушного охлаждения или применять жидкостное охлаждение. Для обеспечения равномерного температурного поля длину и ширину теплоотвода целесообразно делать близкими по величине. Соотношение сторон теплоотвода не должно быть более 2.

Порядок конструктивного расчета теплоотвода пластины для естественного охлаждения приведен в таблице 9. Внешний вид теплоотвода-пластины показан на рис. 23.

Рис. 23

Таблица 9 - Порядок конструктивного расчета теплоотвода-пластины

№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
1	Мощность, рассеиваемая п/п прибором	Р, Вт	Задается
2	Температура окружающей среды		Задается
Таблица 9 - Продолжение 3	Максимальная температура перехода		По ТУ
4	Тепловое сопротивление переход-корпус		По ТУ
5	Тепловое контактное сопротивление		Определяется экспериментально
6	Среднеповерхностная температура теплоотвода			Для естественного охлаждения q=0.96
7	Перепад между среднеповерхностной температурой и окружающей средой
8	Высота пластины	L1, м	Задается
9	Коэффициент теплоотдачи конвекцией			-определяется по графику
10	Коэффициент теплоотдачи излучением		-коэффициент черноты	=1
11	Коэффициент теплоотдачи
12	Теплообменная поверхность	F,
13	Толщина пластины	, м	Выбирается	Рекомендуется 3-5 мм
14	Длина пластины	L2, м

Методика проведения расчета игольчато-штыревого радиатора приведена в табл. 10.

На рис. 24 изображен внешний вид и обозначение размеров игольчато-штыревого радиатора.

Рис. 24

Таблица 10 - Порядок конструктивного расчета штыревого теплоотвода

№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
1	Мощность рассеиваемая полупроводником прибором	Р, Вт	Задается
2	Температура окружающей среды		Задается
3	Максимальная температура перехода		По ТУ
4	Тепловое сопротивление переход-корпус		По ТУ
5	Тепловое контактное сопротивление		Определяется экспериментально
6	Среднеповерхно­стная температура			Q=0.96 для естественного и q=0.94 для принудительного охлаждений
7	Температурный напор			для естественного для принуд.
8 Таблица 10 - Продолжение	Высота штыря	h, м	Выбирается	Рекомендуется 15-30 мм
9	Нижнее основание штыря	,м	Выбирается	Рекомендуется 2,5-3 мм
10	Верхнее основание штыря	,м	Выбирается	Рекомендуется 1-1,5 мм
11	Шаг штырей	s,м	Выбирается	Рекомендуется 5-7 мм
12	Толщина теплоотводящей пластины	,м	Выбирается	Рекомендуется 4-5 мм
13	Эквив. диаметр среднего сечения штыря	,м	Задается
14	Коэфф. кинематической вязкости		Справочная величина
15	Перепад температуры
16	Коэффициент теплопроводности воздуха		Справочная величина
№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
17	Критерий Грасгофа	Gr
18	Критерий Нуссельта	Nu
19	Общий коэффициент теплоотдачи
20	Коэффициент теплоотдачи конвекцией
21	Периметр поперечного сечения штыря (среднего по высоте)	u , м
22	Площадь поперечного сечения штыря
2 Таблица 10 - Продолжение 3	Коэффициент теплопроводности материала		Задается
24	Коэффициент	x
25	Теплоотдача единичного штыря	Pшт, Вт		k=1.14
26	Общее количество штырей	n, шт		C=0.6
27	Площадь основания теплоотвода	Sт,		Sпр-площадь занимаемая прибором
28	Площадь 1-стороннего теплоотвода			Прибор расположен на свободной от штырей стороне
29	Площадь 2-стороннего теплоотвода

Методика проведения расчета ребристого радиатора приведена в табл. 11.

На рис. 25 изображен внешний вид и обозначение размеров ребристого радиатора.

Рис. 25

Таблица 11 - Порядок расчета ребристого теплоотвода

№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
1	Мощность рассеиваемая прибором	Р, Вт	Задается
2	Температура окружающей среды		Задается
3	Максимальная температура перехода		По ТУ
4	Тепловое сопротивление переход-корпус		По ТУ
5	Тепловое контактное сопротивление		Определяется экспериментально
6	Тепловое сопротивление перехода (по исходным данным)			q=0.9
7	Среднеповерхост-ная температура теплоотвода
8	Толщина ребра	d, м	Выбирается	Рекомендуется 2-3 мм
9	Толщина плиты теплоотвода		Выбирается	Рекомендуется 3-5 мм
10	Расстояние между ребрами	b,м	Выбирается	Рекомендуется 8-12 мм
11	Высота ребра	h,м	Выбирается	Рекомендуется 8-35 мм
12	Протяженность ребра	L,м	Выбирается
13	Число ребер	n, шт
14	Длина плиты теплоотвода, на которой развиты ребра
15	Площадь гладкой поверхности теплоотвода
№ Таблица 11 – Продолжение	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
16	Площадь оребренной поверхности для 1-сторонне оребренного теплоотвода
17	Площадь полной повурхности для 2-сторонне оребренного теплоотвода
18	Коэффициент теплоотдачи излучением (для гладкой поверхности)			степень черноты для гладкой поверхности
19	Коэффициент теплоотдачи кнвекцией (для гладкой поверхности)
20	Коэффициент теплоотдачи гладкой поверхности
21	Мощность рассеиваемая гладкой поверхностью
22	Тепловое сопротивление гладкой поверхности
23	Определение вспомогательных коффициентов		A2(tm)-определяется по графику
2 Таблица 11 – Продолжение 4	Относительный температурный напор	H	-определяется по графику
25	Температура среды между ребрами	10	-определяется по графику
26	Коэффициент теплоотдачи конвекцией (для оребренной поверхности)
27	Коэффициент теплоотдачи излучением (для оребренной поверхности)
28	Мощность рассеиваемая оребренной поверхностью теплоотвода
29	Тепловое сопротивление оребренной поверхности теплоотвода
30	Общее расчетное сопротивление теплоотвода
31	Мощность рассеиваемая теплоотводом	Рт,Вт	Рт=PT.гл+РТ.ор
32	Проверка правильности расчета

На рис. 26 изображен жалюзийный радиатор.

Рис. 26

На рис. 27 изображен радиатор типа «краб».

Рис. 27

На рис . 28 изображен петельно-проволочный радиатор.

Рис. 28