5.3. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции

В зависимости от конструктивного выполнения, определяющего механизм переноса тепла, РЭС кассетной конструкции можно подразделить на три группы [2].

Группа А. К этой группе относятся все РЭС, нагретая зона которых образована совокупностью горизонтально ориентированных кассет, а также аппараты с вертикально ориентированными кассетами, когда средний зазор между деталями соседних кассет не превышает 2…3 мм. К этой же группе относятся все аппараты, работающие в условиях невесомости или при атмосферном давлении меньше 10 мм рт ст.

В аппаратах этой группы циркуляция газа (воздуха) между кассетами отсутствует. Перенос тепла от центральной области нагретой зоны к периферии осуществляется кондукцией через элементы конструкции, а также кондукцией и излучением через воздушные прослойки между кассетами. Тепловая энергия от нагретой зоны к кожуху, когда между ними имеются воздушные зазоры, передается конвекцией и излучением через эту воздушную прослойку.

Группа Б.Сюда относятся все аппараты, нагретая зона которых образована вертикально ориентированными кассетами, когда среднее расстояние между деталями соседних кассет превышает 2…3 мм. В этом случае в зазорах между кассетами развивается конвекция; теплообмен между кассетами, а также нагретой зоной и кожухом осуществляется конвекцией и излучением. Наряду с этим теплообмен между отдельными частями нагретой зоны осуществляется кондукцией через твердые части конструкции и воздушные прослойки между ними.

Группа В. В аппаратах этой группы тепловая энергия от внутренних частей нагретой зоны отводится на специально охлаждаемые поверхности. Отвод тепла осуществляется в основном кондукцией через элементы конструкции или по специальным металлическим шинам, которые располагаются в нагретой зоне и имеют низкое переходное сопротивление, как с теплонагруженными узлами, так и с охлаждаемой поверхностью.

В качестве таких охлаждающих поверхностей используются радиаторы или специальные теплообменники.

Наряду с кондукцией тепло от центральных частей нагретой зоны к ее периферии переносится излучением и конвекцией (при наличии воздушных вертикальных зазоров между кассетами). Однако их удельный вес по сравнению с кондуктивным переходом незначителен.

5.3.1. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции (группа а)

Рассматривается аппарат, между корпусом которого и нагретой зоной, образованной совокупностью кассет имеется воздушный зазор, заполненный воздухом (рис. 5.3.1.1).

При плотной компоновке монтажных плат нагретую зону можно заменить однородным анизотропным телом, имеющим форму параллелепипеда с равномерно распределенными источниками энергии. Теплофизические свойства этого тела характеризуются удельной теплоемкостью и коэффициентами теплопроводности по координатным осям ,,.

Рис. 5.3.1.1. Радиоэлектронный аппарат кассетной конструкции группы А и его тепловая модель

Для определения коэффициентов теплопроводности нагретой зоны делаются допущения. Считают, что система тел (совокупность кассет с ЭРЭ) состоит из одинаковых конструктивных элементов, распределенных в пространстве с определенной закономерностью. При выполнении этих условий, можно выделить наименьший объем, многократно повторяя который получим исходную конструкцию (рис. 5.3.1.2).

Рис. 5.3.1.2. Элементарная ячейка

Такой объем называют элементарной ячейкой. Эффективные коэффициенты теплопроводности элементарной ячейки при упорядоченном расположении ЭРЭ, функциональных узлов на монтажных платах будут совпадать с коэффициентами теплопроводности нагретой зоны в целом. Поэтому задача определения коэффициентов теплопроводности нагретой зоны сводится к более простой - определению коэффициентов теплопроводности для элементарной ячейки.

Предполагается, что в нагретой зоне выделили элементарную ячейку (рис. 5.3.1.3), которая состоит из следующих частей: части монтажной платы 1, ЭРЭ 2, воздушных зазоров 3…6.

Рис. 5.3.3. Элементарная ячейка нагретой зоны и ее фрагменты

Рис. 5.3.1.4. Тепловые схемы ячейки по координатным осям

Передачу тепла через части ячейки 1…6 вдоль осей , , рассматривают как перенос тепла через плоские стенки, у которых поверхности перпендикулярны направлению теплового потока. Поверхности считают изотермическими. При этом предположении тепловые схемы ячейки по координатным осям имеют вид, представленный на рис. 5.3.1.4

Из тепловых схем нетрудно определить значения тепловых сопротивлений (проводимостей) вдоль координатных осей:

;

; (5.3.1.1)

.

Те же значения тепловых проводимостей ,,можно представить как функции параметров, характеризующих элементарную ячейку в целом:

; ; , (5.3.1.2)

где ,,- размеры ячейки в направлении координатных осей.

Из выражений для тепловых проводимостей (5.3.1.2) находят искомые коэффициенты теплопроводности ,,

, ; . (5.3.1.3)

Здесь ,,находятся из выражений (5.3.1.3), в которых сопротивления фрагментов ячейки по направлениям осей , , имеют вид

,,, (5.3.1.4)

где ,,- коэффициенты теплопроводности фрагментов ячейки по осям , , ;,,- размеры -го фрагмента ячейки.

Когда прослойки 3…6 заполнены газом, то их коэффициенты теплопроводности можно принять равными коэффициенту теплопроводности воздуха при среднеобъемной температуре нагретой зоны.

Приведенные выше выражения получены в предположении, что лучистый теплообмен между кассетами, а также поверхностями кассет и корпусом близок к нулю.

Полученные коэффициенты теплопроводности элементарной ячейки , , принимаются за коэффициенты теплопроводности нагретой зоны в целом как однородного анизотропного тела.

При нарушении порядка расположения ЭРЭ, их различных размерах или различных расстояниях между платами усредняются размеры самой элементарной ячейки ,в выражениях (5.3.1.2), а также размеры области с кассетами,,в выражениях (5.3.1.4).

Расчет теплового режима аппарата, изображенного на рис. 5.3.1.1, когда известны коэффициент теплопроводности нагретой зоны , , , выполняется в следующей последовательности.

1. По заданной мощности, выделяемой в аппарате, рассчитывается температура корпуса (аналогично расчету, приведенному в разделе 5.1.1).

2. Рассчитывается температура нагретой зоны . Если между кожухом и нагретой зоной, охватывающей область с кассетами, есть зазоры, то рассчитывается температура поверхности нагретой зоны с помощью алгоритма расчета нагретой зоны герметичного блока, внеся в него изменения. Для этого нужно в алгоритме раздела 5.1.2 ввести расчет конвективно-кондуктивных коэффициентов теплопередачи шести прослоек….

3. Если указанных зазоров нет, то температура поверхности нагретой зоны приравнивается к температуре кожуха.

4. После выбора базового коэффициента теплопроводности , например, выбирают= , производится перерасчет размеров нагретой зоны:

,,.

Из полученных величин ,,меньшую по величине считают высотойН. Две другие обозначают каки.

Для расчета перегрева центральной области аппарата относительно поверхности нагретой зоны используют формулу из раздела 2.3.4.2

, (5.3.1.5)

где - базовый коэффициент теплопроводности, который принимается равным одному из значений коэффициента теплопроводностей , или , а коэффициентявляется функцией относительных размеров нагретой зоны, он находится с помощью графиков (рис. 5.3.1.5) [9].

Рис. 5.3.1.5. Зависимость коэффициента от размеров нагретой зоны

Погрешность расчета температуры по приведённым формулам при принятых допущениях не превышает 10…15 %.