57

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Підлягає поверненню на кафедру

Основи конструювання

обчислювальної техніки

Методичні рекомендації до курсових робіт

Чернівці

Чернівецький національний університет

2012

ББК 32.973.2 – 02я7

О - 751

УДК 004.3’12 (076.5)

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

О - 751 Основи конструювання обчислювальної техніки:

Методичні рекомендації до курсових робіт / укл. : А.П. Федоренко, С.В. Баловсяк. – Чернівці: Чернівецький нац. ун-т, 2012. – 92 с.

Методичні рекомендації до курсових робіт складено відповідно до програми курсу „Основи конструювання обчислювальної техніки” для студентів денної та заочної форм навчання. Мета курсової роботи – закріпити знання, отримані під час вивчення теоретичної части­ни курсу і набути практичні навички з розрахунку теплових режимів роботи радіаторів, що використовуються при охолодженні обчислювальної техніки. Для курсових робіт вказані мета, теоре­тичні відомості, варіанти завдань та наведені приклади виконання робіт. Відповідно до кредитно-модульної системи навчання вказано кількість і склад змістових модулів.

Для студентів, які навчаються за напрямами підготовки „Радіотехніка”, „Комп’ютерна інженерія”.

ББК 32.973.2 – 02я7

© ЧНУ, 2012

Вступ

Дані вказівки до курсових робіт призначені для закріплення практичних навичок, отриманих при вивченні курсу „Основи конструювання обчислювальної техніки”. Курсові роботи виконуються згідно варіанту.

Мета курсової роботи полягає у розрахунку теплових режимів роботи радіатора і виборі його типу, розрахунку температури радіатора та його геометричних розмірів, виконанні креслення радіатора.

Вищевказана курсова робота входять до складу одного змістового модуля, який містить 100 балів.

курсова робота

Розрахунок теплових режимів роботи радіатора

Мета: Розрахунок теплових режимів роботи радіатора і вибір його типу, розрахунок температури та геометричних розмірів радіатора, виконання креслення радіатора.

1. Теоретичні та довідкові дані

1.1. Призначення та основні типи радіаторів

Радіатор є засобом інтенсивного відводу тепла від напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем [1-5]. Кількість тепла, що відводиться, зростає в першу чергу за рахунок збільшення площі теплообміну радіатора. При цьому використовується природна або примусова конвекція повітря чи рідини, зміна агрегатного стану речовини, тощо. Випромінювання теплової енергії з поверхні радіатора складає незначну частку, якою при розрахунках часто можна знехтувати.

В системах з повітряним охолодженням широке застосування одержали радіатори, конструкція яких визначається видом розвиненої площі теплообміну. Розрізняють такі конструкції радіаторів: пластинчаті (рис. 1,а), ребристі (рис. 1,б), голчасті або штирьові (рис. 1,в), типу „краб” (рис. 1,г), жалюзеві (рис. 1,д), петельно-дротові (рис. 1,е).

Радіатори тієї чи іншої конструкції характеризуються геометричними параметрами, що суттєво впливають на характер теплообміну.

Пластинчаті радіатори мають найбільш просту конструкцію (рис. 1,а). Вони виготовляються у вигляді однієї пластини. Ця пластина товщиною δ може мати прямокутну основу з розмірами L₁, L₂, або круглу діаметра D.

Ребристі радіатори (рис. 1,б) мають найбільш розвинену поверхню теплообміну. Це досягається шляхом розташування на основі базової пластини набору ребер товщиною δ₁ і висотою h₁ або h₂ (h₁ - h₂ = δ). Ребра розташовуються з кроком S_ш між ними. Поверхня теплообміну кожного ребра певним чином збільшує ефективну поверхню теплообміну всього радіатора в цілому.

Голчасті (штирьові) радіатори розвивають поверхню теплообміну за рахунок розташування на основі базової пластини голок або штирів діаметра d і висоти h₁ або h₂ (h₁ - h₂ = δ), що розташовуються рівномірно з кроком S_ш.

На рис. 1,г зображено радіатор типу „краб”, який виготовлено із плоскої заготовки товщиною δ шляхом штампування. Форма заготовки після обрізки така, що в результаті згину кінців вони утворюють ребра товщиною δ, шириною d і висотою h₁. Ці ребра розташовано певним чином по периметру основи певної форми.

Петельно-дротовий радіатор (рис. 1,е) складається з базової пластини і навитих на її основі системи дротових спіралей. Кожна спіраль має висоту h₂ витка дроту діаметра d, крок намотування S₂, крок укладання S₁. При цьому , де – ширина витка.

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 1. Основні конструкції радіаторів: а) пластинчаті, б) ребристі, в) голчасті або штирьові, г) типу „краб”, д) жалюзеві, е) петельно-дротові [3, С. 130].

Крім типових радіаторів, на практиці застосовують радіатори оригінальних конструкцій, що зумовлено специфікою роботи конкретного РЕЗ. Наприклад, для роботи в середовищі розрідженого повітря використовують радіатори „віялової” конструкції, бо основним механізмом теплопередачі в такому середовищі є випромінювання.

1.2. Залежність теплообміну від конструкції радіатора

Для збільшення теплообміну недостатньо збільшити лише площу теплообміну, треба ще забезпечити достатню інтенсивність конвективного теплообміну. Це досягається в першу чергу шляхом оптимальної орієнтації елементів теплообміну відносно повітряних потоків, що їх обдувають [6-7]. Розглянемо з цієї точки зору роботу ребристих, штирьових радіаторів та радіаторів типу „краб”, які знайшли широке застосування в конструкціях РЕЗ.

Ребристий радіатор має найбільш розвинену поверхню тепловіддачі, але коефіцієнт тепловіддачі ребристої поверхні при цьому зменшується. По-перше, це викликано погіршенням умов омивання ребер повітряним потоком, що призводить до зменшення конвективного α_K коефіцієнта тепловіддачі. По-друге, це викликано багатократним відбиванням радіаційної енергії між боковими поверхнями сусідніх ребер, що призводить до зменшення радіаційного α_В коефіцієнта тепловіддачі. До недоліків конструкції ребристого радіатора треба віднести необхідність певної просторової орієнтації його елементів при компонуванні РЕЗ. Ребра радіатора потрібно направити вздовж повітряних потоків. Проте ребристі радіатори більш ефективні, ніж окрема пластина.

Коефіцієнт тепловіддачі штирьових радіаторів при однакових умовах роботи та габаритних розмірах вище, ніж ребристих радіаторів. Зменшення відстані між штирями теж знижує тепловіддачу, бо погіршує умови руху повітря навколо штирів. Шахове розташування та різна висота штирів порушують регулярність повітряного потоку, утворюючи непотрібну турбулентність. Ступінь чорноти поверхні штирів мало впливає на теплообмін випромінюванням. Штирьовий радіатор можна розглядати як модель чорного тіла, випромінювання з поверхні якого не виходить за межі радіатора.

Петельно-дротові радіатори застосовуються лише при примусовому повітряному охолодженні. Для зниження загального аеродинамічного опору та забезпечення незалежності коефіцієнтів тепловіддачі від напрямку охолоджуючого потоку спіралі виконують з кроком . Діаметр дроту роблять допустимо мінімальним, який як правило дорівнює приблизно 0,8 мм. Подальше зменшення товщини дроту приводить до недопустимого підвищення кондуктивного теплового опору. Дріт не встигає підводити до поверхні теплообміну теплову енергію, яку поверхня може віддати повітрю.

1.3. Загальні вимоги до радіаторів

Конструкція радіатора визначається не тільки умовами експлуатації, а й цілим рядом технічних вимог: максимальна теплова ефективність, масогабаритні вимоги (мініатюризація), технологічна простота виготовлення, низька собівартість (технологічність), тощо.

Так, дешеве виготовлення способом точного лиття ребристих радіаторів із алюмінієвих сплавів визначила їх широке застосування. Застосуванню радіаторів типу „краб” сприяло дешеве штампування, яке виключає необхідність додаткової механічної обробки посадочних поверхонь. А ось петельно-дротяні радіатори складні з позиції виготовлення через операції паяння.

Технічні характеристики радіаторів типових конструкцій наводяться у відповідних нормативних документах (галузевих стандартах, стандартах підприємств, тощо), де, як правило, вказуються їх теплові опори при природному та примусовому повітряному охолодженні, геометричні параметри та ін.

Більшість радіаторів типових конструкцій випускається серійно з уніфікованими розмірами. При їх виготовленні використовуються готові профілі, лиття, штампування, тощо. В якості матеріалу радіатора застосовуються високотеплопровідні сплави алюмінію та міді. Для захисту від корозії, а також для підвищення ступеня чорноти на поверхню радіатора наносять лаки, фарби або оксидні покриття. Останнім віддають перевагу, бо вони мають малу товщину покриття.

Для напівпровідникових приладів, що працюють в короткочасному режимі з великою потужністю, використовують масивні металеві радіатори високої теплоємності. На рис. 2 показано типові конструкції радіаторів для напівпровідникових приладів (НПП): 1 – пластина; 2 – пластина з відігнутими крилами з просічками; 3 – пластина з крилами та штампованими ребрами на них; 4 – литий горизонтальний двохсторонній; 5 – литий вертикальний; 6 – литий круглий; 7 і 8 – литі для транзистора і діода; 9 – збірка із трьох пластин; 10 і 11 – збірка зварна з пустотілими ребрами; 12 – литий штирьовий; 13 – петельно-дротовий.

1 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11

12 13

Рис. 2. Радіатори для напівпровідникових приладів [1, С. 462]

Радіатори для інтегральних схем (ІС) і мікросхем (МС) менш масивні. На рис. 3 показані характерні радіатори для ІС та МС: а – пластинчатий з розрізами для корпусів плат; б – штирьовий для корпусів; в – пластинчатий з просічками для корпусів.

Радіатори для сучасних процесорів ПК розсіюють значні потужності (≈ 100 Вт), тому практично завжди використовується примусове повітряне охолодження. Такі пристрої, що поєднують радіатор і вентилятор, називаються кулерами (рис. 3г). Звичайно використовують ребристі, штирьові й тороїдальні радіатори. Найбільш дорогі та ефективні радіатори виготовляють в міді, але поширенішими є алюмінієві радіатори. Існують також компромісні варіанти, коли в одному радіаторі одночасно використовують мідь і алюміній, при цьому з міді виготовляють найбільш теплонавантажені елементи (рис. 3г). Часто в конструкції радіатора використовують теплові труби – герметично запаяні металічні трубки (звичайно мідні). Вони дуже ефективно передають тепло від одного свого кінця до іншого: таким чином всі ребра великого радіатора працюють ефективно (рис. 4д).

а) б) в)

г) д)

Рис. 3. Радіатори для ІС, МС (а, б, в) та процесорів [1, С. 464]: г) процесорний кулер Zalman CNPS7700-AlCu; д) процесорний кулер Scythe Ninja з тепловими трубами

Способи оцінки ефективності теплообміну поверхні радіатора по окремим параметрам розроблені достатньо повно. А ось порівняльний аналіз радіаторів різної конструкції здійснити важко, бо окремі показники не можуть служити узагальненою оцінкою ефективності радіатора в цілому. На жаль відсутні розробки по вибору вагових коефіцієнтів окремих параметрів різ­них конструкцій радіаторів. Тому конкретна конструкція вибирається на основі традицій, наявного технологічного устаткування, переліку обмежень, тощо.