10. Расчет теплового режима (почему после приложения?)

Модуль РЭА второго уровня и выше, например, блок, представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Точное аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета. Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необходимых для оценки надежности. Рекомендуется проводить расчет для наиболее критичного элемента, т.е. элемента, допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образующих нагретую зону.

Рис. 9.1. Тепловые модели блоков РЭА в виде параллелепипедов с горизонтально (а) и

вертикально (б) ориентированными шасси и в виде цилиндра (в)

Расчет стационарного теплового режима блока при естественном конвективном теплообмене

Конструкция РЭА заменяется ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_н.з и рассеиваемую тепловую мощность P_н.з.

На рис. 1 представлены тепловые модели блоков РЭА. За размеры нагретой зоны принимаются размеры шасси l₁ и l₂ и высота l₃, которая определяется по формуле

, (1)

где δ_ш – толщина шасси; h₃₁ и h₃₂ – части высоты нагретой зоны, расположенные со стороны шасси в 1-м и 2-м отсеках, на которые шасси делит блок РЭА. Размеры h₃₁и h₃₂ определяются по формуле

, (2)

где j = 1, 2 – номер отсека блока; Vi – объем i-той детали в j-том отсеке;

n_j – число деталей в j-том отсеке.

Большая часть РЭА имеет блоки разъемной, кассетной или книжной конструкции с плотной компоновкой.

В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня и величины воздушных зазоров между ними различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них [4].

Отличительные особенности этих групп приведены в табл. 1. Выбор той или иной группы осуществляется эмпирически исходя из опыта разработок и здравого смысла. Наиболее общим случаем является вторая группа конструкций.

Таблица 1

Классификация конструкций в зависимости от характера теплообмена

Группа конструкции	Виды теплообмена между модулями 1-го уровня	Виды теплообмена между нагретой зоной и корпусом
I	излучение, теплопроводность	конвекция, излучение, теплопроводность
II	конвекция, излучение, теплопроводность	излучение, конвекция, теплопроводность
III	излучение, теплопроводность	излучение,теплопроводность

Рис. 2. Тепловая модель блока РЭА плотной компоновки: 1 – корпус; 2 – нагретая зона; 3 – модуль 1-го уровня; 4 –радиоэлемент (микросборка, микросхема, ЭРЭ)	Рис. 3. Зависимость перегрева корпуса блока от удельной поверхности мощности

Тепловая модель блока РЭА плотной компоновки приведена на рис. 2.

Расчет теплового режима блока можно условно разделить на три этапа:

1. определение температуры корпуса t_к;

2. определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н,з;

3. определение температуры поверхности радиоэлемента (микросхемы, ЭРЭ).

Для выполнения первых двух этапов расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные: размеры корпуса – ширина L₁, глубина L₂, высота L₃, размеры нагретой зоны ; величины воздушных зазоров между нагретой зоной и нижней поверхностью корпуса h_н, нагретой зоной и верхней поверхностью корпуса h_в; площадь перфорационных отверстий S_п; мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Р₀-, мощность радиоэлементов, расположенных непосредственно на корпусе Р_к, базовая температура t₀, т.е. температура окружающей среды; теплофизические параметры воздуха и материалов конструкции блока.

Этап 1. Определение температуры корпуса

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q_к:

(3)

где s_k – площадь внешней поверхности корпуса блока,

.

2. По графику на рис. 3 задаемся перегревом корпуса блока в первом приближении .

3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней α_л.в, боковой, α_л.б и нижней α._л.н поверхностей корпуса:

, (4)

где ε_i – степень черноты i-той наружной поверхности корпуса; определяется в зависимости от материала из табл. 2.

Таблица 2

Степень черноты различных поверхностей

Материал	ε	Материал	ε
Алюминий полированный	0,05	Муар	0,9
Алюминий окисленный	0,25	Масляные краски	0,92
Алюминий грубополированный	0,18	Никель полированный	0,08
Алюминиевая фольга	0,09	Олово (луженое кровельное железо)	0,08
Асбестовый картон	0,96	Платина	0,1
Бронза полированная	0,16	Резина твердая	0,95
Бумага	0,92	Резина мягкая	0,86
Вольфрам	0,05	Серебро полированное	0,05
Графит	0,75	Сталь никелированная	0,11
Дюралюминий (Д16)	0,39	Сталь окисленная	0,8
Железо полированное	0,26	Стальное литье	0,54
Золото	0,10	Саиса	0,96
Ковар	0,82	Стекло	0,92
Краски эмалевые	0,92	Силумин	0,25
Лак	0,88	Титан	0,63
Латунь полированная	0,03	Фарфор	0,92
Латунь прокатная	0,20	Хром полированный	0,10
Медь полированная	0,02	Цинк	0,25
Медь окисленная	0,65	Щеллак черный матовый	0,91

4. Для определяющей температуры рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

, (1.5) (5)

где L_{опр. I} – определяющий размер i-той поверхности корпуса; – коэффициент объемного расширения, для газов ; g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м с^-1, ν_m –кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из табл. 3. Индекс m означает, что все параметры соответствуют определяющей температуре t_m.

Таблица 3