книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

4.Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

71...74 — температура в соответствующих узлах сетки; Тж— температура окру­ жающей среды; RI...R6 — тепловые сопротивления (по условиям они равны);

01...04 — тепловые потоки.

Произвольно зададимся направлениями тепловых потоков в сопротивлениях и запишем систему уравнений теплового баланса для узлов 71.. .74:

'QI = (71 - Ti)lR + (71 - T2)/R;

02 = (72 - 71)//? + (72 -74)//?;

03 = (73 - T\)/R + (73 - 74)//? + (73 - 7oe)/R; „04 - (74 - 72)//? + (74 - 73)//? + (74 - Tx )/R;

„ RQ2 = 272 - 71 - 74; R-Q3 - 373 - 71 - 74 - 7«;

L/?-04 = 3 7 4 - 7 2 - 7 3 - T oe;

”/?-01 = 271 - 73 - 72; RQ2 = 272 - 71 - 74;

" R Q3 + 70C=373 -7 1 -7 4 ; „/?-04 + Тж= 374 - 72 - 73.

После преобразований получим систему уравнений, где слева находятся из­ вестные переменные, а справа — определяемые величины:

'/? • 01 = +271 -172 -173 + 074;

R • 02 = -171 + 272 + 073 -174;

' R Q3 + T<X=-171 + 072 + 373-174;

./? • Q4 + Тк = +071 -172 -173 + 374.

Матричная запись данной системы имеет вид:

т. е. В = А ■X. Отсюда X = А~[ ■В и, следовательно, можно найти решение системы уравнений.

112

4.5. Защита от температурных воздействий

Теплоотвод конвекцией

При конвективном отводе теплоты используют воздушное естест­ венное, принудительное и водо-воздушное охлаждение. При высоких требо­ ваниях к стабильности параметров схем применяют термостатирование узлов и блоков.

Естественное охлаждение используется в бытовой аппаратуре с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см2. Метод охлаждения естественной конвекцией, являясь самым простым, требует повышенного внимания конструктора к вопросам рацио­ нальной компоновки по критерию обеспечения нормального теплового ре­ жима. При компоновке необходимо стремиться к равномерному распреде­ лению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты — в нижней части, защищать тепловыми экранами.

Блестящий экран, разделяющий теплонагруженные и чувствительные к перегреву модули, снижает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры поверхности внутри аппаратуры теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты. Для этого внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются масляны­ ми черными красками или лаками.

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. Перегрев аппаратуры с темной окраской кожуха, освещаемой солн­ цем при незначительной циркуляции воздуха, может достигать 25...30 °С. Например, имеет место превышение температуры металлических поверхно­ стей (в градусах Цельсия) в умеренном климате при отвесном падении солнеч­ ных лучей; без покрытия — 24; окрашенных в белый цвет — 13; серый — 21; черный — 27.

При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования «ло­ вушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха. Для выравнивания температуры в каналах, образуемых установленными рядами модулей, должны быть зазоры не менее 30 мм.

Различают конструкции с перфорированным и герметичным кожухом. В перфорированном кожухе предусматриваются вентиляционные отверстия круглой, квадратной, прямоугольной формы, жалюзи (рис. 4.19). Например, круглые отверстия имеют диаметр 4, б, 8 или 10 мм, квадратные могут иметь размеры 4 x 4 мм, прямоугольные 3 х 25,4 х 50 мм.

Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при­ бора должна составлять 20...30 % от живого сечения, под которым подра­ зумевается свободная для прохода конвективных потоков воздуха площадь сечения прибора. Входные вентиляционные отверстия должны располагать-

113

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Рис. 4.19. Вентиляционные отверстия (а, б, в) и жалюзи (г) кожухов

ся как можно ниже и лучше, если они будут в дне, выходные отверстия предпочтительнее выполнять в крышке прибора.

Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по­ токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор не менее 30 мм, получить который можно установкой прибора на амортизаторы опорные типа АО. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками. Вместо сеток в дне стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Зазоры по горизонтали между модулями при естественном воздушном ох­ лаждении должны быть не менее 10 мм.

Циркуляция воздуха в приборах и стойках с герметичным кожухом является следствием разности плотностей воздуха, нагретого внутри ЭА, и более холодного воздуха у стенок кожуха. Перегрев будет уменьшаться с увеличением зазора между модулями. У дна прибора с герметичным кожу­ хом движение воздуха практически отсутствует.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздуш­ ным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия.

Количество теплоты, удаляемой от поверхности S естественной кон­ векцией, Вт,

g = 4,187-1 O^hcS&t,

где S — площадь поверхности, см2; Дt — перегрев, °С; hc — коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из Ис = 0,52С(55Д///)°'25, где

114

4.5.Защита от температурных воздействий

С— постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С = 0,56; для верхней горизонтальной плоскости С = 0,52; для нижней горизонтальной плоскости С = 0,26); I — длина пути теплового по­ тока (табл. 4.8).

Пример. Вычислить теплосъем естественной конвекцией с плоской прямо­ угольной пластины размерами 10x20 см, имеющей перегрев в 20 °С относительно температуры окружающей среды. Теплосъем осуществляется с двух поверхностей пластины. Теплосьемом с торцевых поверхностей пластины пренебрегаем.

Рассмотрим три варианта размещения пластины в пространстве, когда она ориентирована:

А — вертикально короткой стороной вдоль свободных конвективных потоков воздуха;

Б — вертикально длинной стороной вдоль свободных конвективных потоков воздуха;

В — горизонтально поперек свободных конвективных потоков воздуха.

С вертикально ориентированной пластины соответственно снимаются тепло­ вые потоки

0 А = 4,187-10^-0,52-0,56- </55 (20/10)°-25(2 10-20)-20 = 3,16 Вт;

0 б= 4,187-1(Г*-0,52-0,56- </55 (210-20)-20 = 2,65 Вт.

С верхней горизонтально ориентированной поверхности снимается

V 2(10 + 20)

что в сумме дает

QB= 1,36+ 0,68 = 2,04 Вт.

115

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Таким образом, наилучшая ориентация пластины — вертикальная с направ­ лением потоков воздуха вдоль ее короткой стороны.

Принудительное воздушное охлаждение автономными вентилято­ рами широко используется в аппаратуре с тепловыделением не более 0,5 Вт/см2 и выполняется по схемам подачи охлажденного воздуха снизу вверх и сверху вниз. По первой схеме воздух забирается у пола, по второй — у потолка. Забор воздуха у пола, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности аппаратуры, охлаждение по схеме сверху вниз — к меньшей запыленности, но требует большего расхо­ да воздуха, поскольку его температура с увеличением высоты забора растет.

Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. В приточной схеме вентилятор засасывает охлаждающий воз­ дух внутрь изделия. В вытяжной нагретый воздух выталкивается из изделия. В приточно-вытяжной используются два вентилятора на входе и выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора по приточной схеме вентиляции происходит в благоприятных условиях при пониженной температуре в бо­ лее плотной окружающей среде, что обеспечивает по сравнению с вытяжной вентиляцией большую производительность. Однако в приточной схеме на­ гнетаемый воздух может частично уходить через неплотности в корпусе и охлаждение аппаратуры может оказаться недостаточным. Вытяжную схему вентиляции, свободную от указанного недостатка, можно рекомендовать к использованию в аппаратуре с большими аэродинамическими сопротивле­ ниями. Приточно-вытяжная схема позволяет увеличить напор охлаждающе­ го воздуха.

Конструктивно автономный осевой вентилятор представляет элек­ тродвигатель с крыльчаткой. Вентиляторы устанавливаются либо непо­ средственно в прибор, либо в специальные блоки, снабжаемые элементами коммутации и фиксации на корпусе блока или каркасе стойки. В блоках размещаются один или несколько вентиляторов, противопыльный фильтр, элементы сигнализации неисправного состояния, аварийного отключения. В зависимости от тепловой нагрузки аппаратуры в блок устанавливается разное число вентиляторов. Незанятые установочные места закрываются заглушками.

Удаляемый из аппаратуры теплый воздух поступает в помещение, из которого выбрасывается в атмосферу либо поступает на рециркуляцию в общую систему кондиционирования. Повышенная запыленность аппарату­ ры, появление вибраций в результате работы вентиляторов, неравномер­ ность распределения охлаждающего воздуха являются недостатками рас­ смотренного способа охлаждения. Однако охлаждение автономными венти­ ляторами реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

116

4.5. Защита от температурных воздействий

Количество теплоты Q ккал, получаемое воздухом массой т при уве­ личении его температуры на величину At, будет

Q = cmAt,

где с — удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг • °С). Расход воздуха для охлаждения, м 3 /час,

Vp = Ш кР /cpAt,

где к — коэффициент (обычно 1,25), учитывающий утечку охлаждающего воздуха через неплотности в конструкции; Р — потребляемая мощность, кВт; р — плотность воздуха (при 0 °С и нормальном атмосферном давлении р = = 1,293 кг/м3 ).

Мощность, рассеиваемая в ЭА в виде теплоты, принимается равной по­ требляемой аппаратурой электрической мощности. При полном переходе элек­ трической энергии в тепловую справедливо соотношение 1 кВт/ч = 860 ккал.

Напор и производительность вентилятора определяются точкой пере­ сечения его характеристики с характеристикой аэродинамического сопро­ тивления охлаждаемой аппаратуры (рис. 4.20).

Для выбора вентилятора необходимо знать его характеристики и аэ­ родинамическое сопротивление охлаждаемой аппаратуры. Вентилятор дол­ жен обеспечивать производительность Ув, равную или с учетом возможной утечки охлаждающего воздуха несколько большую расчетной величины расхода воздуха Vp. Если выбранный вентилятор не обеспечивает необходи­ мый расход V„i и его производительность оказывается меньше расчетного значения Ур, требуемого для охлаждения ЭА, то она может перегреться и выйти из строя. На рис. 4.20 требуемую величину расхода воздуха Vp на ох­ лаждение аппаратуры с некоторым запасом

117

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

ность в рабочей точке соответствовали максимальному КПД. Иначе может наблюдаться неупорядоченное движение воздуха, когда нагретые потоки воздуха могут наблюдаться в холодной зоне и наоборот, а также вместо прямо­ линейного движения воздушных потоков — завихрения и циркуляции.

Во избежание попадания в ЭА пыли охлаждающий воздух фильтруют. Материалом фильтров является резиновая крошка, минеральная вата, стек­ ловолокно, фильтровальная ткань или картон. К фильтрам должен обеспе­ чиваться легкий доступ для периодической их замены или чистки.

Для больших ЭВМ со значительными тепловыделениями можно ре­ комендовать подачу охлаждающего воздуха от центрального кондиционера по системе воздуховодов, размещаемых в подпольном пространстве машин­ ного зала, в стойки. Поскольку охлаждающий воздух подается непосредст­ венно в стойки, то его можно охладить несколько ниже воздуха, подаваемо­ го в машинный зал для охлаждения аппаратуры встроенными автономными вентиляторами и создания комфортных условий обслуживающему персона­ лу. Это приведет к меньшему расходу переохлажденного воздуха, уменьше­ нию запыленности аппаратуры. Регулировкой расхода воздуха и его пара­ метров можно добиться быстрого ввода ЭВМ в нормальный тепловой ре­ жим. Недостатками подобного подхода являются необходимость в разработке системы кондиционирования и воздуховодов, значительные сложности при перепланировке технических средств при установке нового оборудования.

Водо-воздушную систему охлаждения можно рекомендовать для из­ делий с высокими плотностями компоновки элементов. Отвод теплоты от блоков 2 (рис. 4.21) осуществляется поступающим в стойку от центрального кондиционера или автономных вентиляторов воздухом и жидким хладаген­ том, протекающим по трубкам к охладителям /. Охладитель может быть выполнен в виде системы горизонтально ориентированных параллельно проходящих трубок, расположенных под каждым блоком, но можно совмес­ тить охладитель и направляющие ТЭЗ блоков в единой конструкции, что позволит получить два пути передачи теплоты: ТЭЗ — воздух — жидкость и ТЭЗ — охладитель — жидкость. По второму пути теплота от ТЭЗ к охлади­ телю передается кондукцией. Эту систему охлаждения можно применять в герметизируемых стойках. Для эффективного перемешивания воздуха и бы­ строй передачи теплоты охлаждающей жидкости в стойку вводится венти­ лятор.

Проточная система охлаждения (см. рис. 4.21, а) конструктивно про­ ста, но требует большого расхода жидкого хладагента. Введение в систему теплообменника 3 (рис. 4.21, б), в котором происходит охлаждение жидко­ сти, позволяет получить замкнутую систему охлаждения и снизить расход хладагента. В зависимости от особенностей объекта эксплуатации исполь­ зуются теплообменники типа жидкость — воздух и жидкость — жидкость.

118

4.5. Защита от температурных воздействий

Рис. 4.21. Проточная (а) и одноконтурная замкнутая (б) водо-воздуш­ ные системы охлаждения:

/ — охладитель; 2 — охлаждаемый блок; 3 — теплообменник

Теплообменники жидкость — жидкость применяются на объектах, позволяющих расходовать на охлаждение аппаратуры большое количество жидкости приемлемой температуры. Изменяя расход жидкости через тепло­ обменник, можно регулировать температуру воздуха в аппаратуре.

Теплоотвод лучеиспусканием

Для расчета мощности, отдаваемой лучеиспусканием Рл, от нагретой поверхности St с температурой Г, на поверхность с температурой 7} или в окружающую среду, воспользуемся выражениями

Рп - ал5,{Г, - Tj),

(Т, + 273)4 ~(Tj +273)4

а л =5,67-10 e<p„

Т - Т .

где а„ — коэффициент теплообмена лучеиспусканием, Вт/(м2 • к); е — приведенная степень черноты (табл. 4.9); фу — коэффициент, показываю­

щий, какая часть энергии тела / попадает на телоj.

Пример. Вычислить теплосъем лучеиспусканием с покрытой лаком плоской прямоугольной пластины размерами 10x20 см, имеющей перегрев в 20 °С относи­ тельно температуры окружающей среды в 20 °С. Теплосъем осуществляется с двух

119

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Таблица 4.9. Степень черноты материалов

поверхностей пластины. Теплосъемом с торцевых поверхностей пластины пренеб­ речь. Приведенная степень черноты пластины е = 0,92, <pv= 1,0.

Решение. Съем теплоты осуществляется с двух поверхностей пластины об­ щей площадью 2x0,1 х0,2 м2

а л = 5,67 • 10 * • 0,92 • 1,0 (313~ — - - = 5,8 Вт/ (м2 • К);

20

Рл = 5,8 • 2 • 0,1 • 0,2 • 20 = 4,64 Вт.

Таким образом, удаление теплоты лучеиспусканием сравнимо с теп­ лотой, удаляемой естественной конвекцией. Однако при высокой плотности компоновки аппаратуры, размещаемой внутри приборных корпусов, эффект удаления теплоты лучеиспусканием будет отсутствовать, так как модули будут нагревать друг друга. Подобные расчеты имеет смысл выполнять для внешних поверхностей приборных корпусов и элементов.

Выбор способа охлаждения

При выборе способа охлаждения ЭА учитываются ее режим работы, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, объект ус­ тановки, окружающая среда.

Режим работы аппаратуры бывает длительным, кратковременным, кратковременно-повторным и характеризуется длительностями включенно­ го и выключенного состояний. Длительный режим свойственен стационар­ ной аппаратуре, которая находится во включенном состоянии в продолже­ нии многих часов, кратковременный — бортовой, время работы которой мало и исчисляется несколькими минутами или часами. С большой вероят­ ностью можно утверждать, что при проектировании сложной аппаратуры с длительным временем включенного состояния возникнет необходимость в

120

4.5. Защита от температурных воздействий

разработке принудительной системы охлаждения (СО). Для аппаратуры ра­ зового использования с кратковременным режимом работы возможно обой­ тись без принудительной СО. Решение о разработке СО для аппаратуры кратковременно-повторного режима работы принимается лишь после ана­ лиза длительностей включенного-выключенного состояний и характера ее перегрева и охлаждения.

Переносная ЭА в силу малых рассеиваемых мощностей принудитель­ ной СО не снабжается. В сложной аппаратуре необходимо использовать принудительную воздушную или водо-воздушную СО. Водо-воздушной СО снабжаются, например, ЭВМ в герметичном исполнении.

Тепловой анализ ЭА позволяет получить предварительные данные о разрабатываемой СО. Для этого по каждому модулю первого уровня состав­ ляется перечень тепловыделяющих компонентов, устанавливаются рассеи­ ваемые мощности и максимально допустимые температуры. На основе этих данных выделяются критичные к перегреву компоненты, а также компонен­ ты, устанавливаемые на теплоотводы. Далее рассчитываются удельные по­ верхностные или/и объемные тепловые потоки модулей высших уровней. Для этого нужно вычислить мощности, рассеиваемые в модулях компонен­ тами, внешнюю поверхность или объем модулей. По значениям плотности теплового потока qs и qv в первом приближении выбирают систему охлаж­ дения (табл. 4.10) по допустимому перегреву в 40 °С.

Таблица 4.10. Плотность тепловых потоков аппаратуры

Затем для всех модулей, начиная с модулей первого уровней, состав­ ляется перечень компонентов или модулей низших уровней, осуществляется размещение их по критерию минимального перегрева, по уравнению тепло­ вого баланса определяется расход хладагента. Если в качестве хладагента предполагается использовать воздух, то необходимо установить его количе­ ство, максимально возможную температуру на входе СО, проверить запы­ ленность и наличие в нем агрессивных примесей. Присутствие пыли в воз­ духе требует установки противопылевых фильтров. Наличие в воздухе агрессивных газов, например сернистого ангидрида, вызывающего интен­ сивную коррозию металлических конструкций, потребует применения спе­ циальных фильтров.

121