2. Методы расчета стационарного и нестационарного тепловых режимов

2.1. Расчет стационарного теплового режима

2.1.1. Расчет теплового режима микросборок (микросхем в блоке) при естественном воздушном охлаждении и внутреннем перемешивании воздуха

Исходные данные

• Базовая температура , К;

• мощность, выделяющаяся в блоке , Вт;

• мощности, выделяющиеся в микросборках (мик­росхемах) , Вт;

• производительность вентилятора (при внутрен­нем переме­шивании воздуха) , кг/с;

• размеры корпуса блока без учета теплоотвода м (рис. 2.1);

• коэффициент заполнения блоков ;

• общая площадь внешней поверхности корпуса блока м²;

• суммарная площадь поверхности микросборки (микро­схемы) и теплоотвода м²;

• площадь основания микросборки (микросхемы) м²;

• размеры печатных плат ячейки м (рис. 2.1);

• расстояние между крайними ячейками в блоке , м (рис.2.1);

• коэффициент перфорации корпуса блока ;

• суммарная толщина печатной платы и теплопроводных шин ячейки , м;

• зазор между основанием микросборки (микросхемы) и пе­чатной платой (теплопроводной шиной) , м;

• коэффициент теплопроводности диэлектрического основа­ния печатной платы , Вт/(мК);

• коэффициент теплопроводности материала теплопровод­ной шины печатной платы , Вт/(мК);

• коэффициент теплопроводности материала, заполняю­щего зазор между микросборкой (микросхемой) и печатной пла­той (теплопроводной шиной) , Вт/(мК);

• объем печатной платы с учетом объема теплопроводных шин , м³;

• объем теплопроводных шин на печатной плате , м³;

• суммарная площадь, занимаемая теплопроводными ши­нами на печатной плате , м²;

• расстояние между центром рассчитываемой микросборки (микросхемы) и центрами остальных микросборок (микросхем) на печатной плате , м;

• шаг установки микросборок (микросхем) в ячейке м;

• расстояние между печатными платами соседних ячеек , м (рис. 2.2);

• ширина теплопроводной шины , м (рис. 2.3);

• площадь поперечного сечения теплопроводной шины м²;

• длины теплопроводной шины от корпуса блока до кор­пуса микросборки (микросхемы) , , м (рис. 2.3);

• число микросборок (микросхем), установленных на одной теплопроводной шине с рассчитываемой ;

• расстояние от рассчитываемой микросборки (микро­схемы) до остальных микросборок (микросхем), установленных на одной теплопроводной шине с рассчитываемой м (рис. 2.3);

• давление окружающей среды Па;

• давление воздуха внутри корпуса блока Па;

• половина площади кондуктивного теплообмена теплопро­водной шины с корпусом блока м²;

• усилие прижатия ячейки к корпусу блока Па;

• длина отрезка теплопроводной шины от корпуса блока до микросборки (микросхемы) с индексом i, на котором располо­жена рассчитываемая микросборка (микросхема) м (рис. 2.3).

Рис. 2.1. Схематическое изображение блока РЭА с естест­венным воздушным охлаждением и внутренним перемешива­нием воздуха: 1 - корпус блока, 2 - ячейка, 3 - микросборка, микросхема, дискретный ЭРЭ, 4 - вентилятор.

Рис. 2.2. Схематическое изображение блока РЭА с прину­дительным воздушным охлаждением: 1 - корпус блока, 2 - ячей- ка, 3 - микросборка, микросхема, дискретный ЭРЭ

Рис. 2.3. Схематическое изображение ячейки с тепловодными шинами: 1 - рассчитываемая микросборка, микросхема, 2 - мик- росборка, микросхема, окружающая рассчитывае­мую и установ- ленная с ней на одной теплопроводной шине, 3 - печатная плата,

4 - теплопроводная шина, 5 - корпус блока

Порядок расчета

Определить удельную мощность корпуса блока [6]:

(2.1)

Примечание. При работе блока в составе стойки (шкафа) в качестве принимают результирующую мощность блока , определяе­мую в соответствии с приложением.

Определить перегрев корпуса блока:

(2.2)

где - перегрев корпуса герметичного блока, К, при дав­лении окружающей среды 0,1 МПа (определяют по графику, приведен- ному на рис. 2.4);

- коэффициент, учитывающий перфорацию кор­пуса блока (определяют по графику, приведенному на рис. 2.5);

- коэффициент, учитывающий давление окружаю­щей среды (определяют по графику, приведенному на рис. 2.6).

Рис. 2.4. Зависимость перегрева корпуса герметичного блока при давлении окружающей среды 0,1 МПа от удельной мощности корпуса блока

Рис. 2.5. Зависимость коэффициента К_кп от коэффициента перфорации корпуса блока

Рис. 2.6. Зависимость коэффициента К от давления окружающей среды

Определить удельную мощность нагретой зоны блока:

(2.3)

Определить среднеобъемный перегрев нагретой зоны блока:

(2.4)

где - среднеобъемный перегрев нагретой зоны блока в гер- метичном корпусе при давлении воздуха внутри блока 0,1 МПа и отсутствии внутреннего перемешивания воздуха, К (оп­реде- ляют по графику, приведенному на рис. 2.7);

- коэффициент, учитывающий внутреннее перемешива- ние воздуха (определяют по графику, приведенному на рис. 2.8);

- коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока (определяют по графику, приведенному на рис. 2.9).

Рис. 2.7. Зависимость среднеобъемного перегрева нагретой зоны блока в герметичном корпусе при давлении воздуха внутри блока 0,1 МПа и отсутствии внутреннего перемешивания воз­духа от удельной мощности нагретой зоны блока

Рис. 2.8. Зависимость коэффициента К_W от кратности обмена воздуха в блоке

Рис. 2.9. Зависимость коэффициента К от давления воздуха внутри блока

Определить среднеобъемный перегрев воздуха внутри блока:

(2.5)

Определить тепловую проводимость от микросборки (мик­росхемы) к корпусу блока через воздух внутри блока:

(2.6)

где - коэффициент, учитывающий теплоотдачу от кор­пусов микросборок (микросхем), Вт/(м² К) (определяют по гра­фику, приведенному на рис. 2.10).

Рис. 2.10. Зависимость коэффициента от площади поверхности корпуса микросборки (микросхемы)

Определить тепловую проводимость от микросборки (мик­росхемы) к корпусу блока по теплопроводной шине:

σ_w = + , (2.7)

где - удельная тепловая проводимость контакта теп­ло- проводной шины с корпусом блока, Вт/(м² К).

При отсутствии прижима ячеек к корпусу блока рекомен­дуется принимать = 270 Вт/(м² К).

При наличии прижима ячеек к корпусу блока рекомен­дуется определять по рис. 2.11.

Рис. 2.11. Зависимость удельной тепловой проводимости контакта теплопроводной шины с корпусом блока от усилия прижатия ячейки к корпусу блока: 1 - контакт медной теплопро- водной шины с алюминиевым корпусом блока; 2 - контакт алюминиевой теплопроводной шины с алюминиевым корпусом блока

Определить отношения тепловых проводимостей:

(2.8)

Если , то дальнейший расчет выполняют в соответст­вии с формулами (2.9) - (2.20).

Если , то дальнейший расчет выполняют в соответст­вии с формулами (2.21) - (2.24).

Если , то дальнейший расчет выполняют в соответст­вии с формулами (2.10) - (2.20), принимая в качестве коэф- фи­циент теплопроводности диэлектрического основания печат -ной платы .

Определить эквивалентный коэффициент теплопроводно­сти ячейки:

(2.9)

где - это коэффициент, учитывающий установку тепло­про- водных шин в ячейке.

При установке теплопроводных шин с одной стороны пе­чатной платы коэффициент А определяется, как:

(2.10)

При установке теплопроводных шин с двух сторон печат­ной платы коэффициент А определяется, как:

(2.11)

Примечание. При отсутствии теплопроводных шин

Определить эквивалентный радиус микросборки (микро­схемы):

(2.12)

Определить параметр:

(2.13)

где - конвективный коэффициент теплоотдачи с поверх­ности ячейки,

- лучистый коэффициент теплоотдачи с поверхно­сти ячейки,

Примечание. При выполнении расчетов рекомендуется принимать

Определить собственный перегрев корпуса микросборки (микросхемы): , (2.14)

где рекомендуется принимать для микросборок (микро­схем), центр которых отстоит от торцов печатной платы на расстояние меньше , и для микросборок (микро­схем), центр которых отстоит от торцов печатной платы на рас­стояние, большее ;

В - обозначение, введенное для упрощения формы записи.

При одностороннем расположении микросборок (микро­схем) в ячейке .

При двустороннем расположении микросборок (микро­схем) в ячейке .

обозначение, введенное для упрощения формы записи.

При одностороннем расположении микросборок (микро­схем) в ячейке .

При двустороннем расположении микросборок (микро­схем) в ячейке .

- модифицированные функции Бесселя вто­рого рода нулевого и первого порядка (определяют по таблице приложения).

Определить предельный радиус взаимного теплового влия­ния для микросборки (микросхемы):

(2.15)

Определить наведенный перегрев для микросборки (мик­росхемы):

(2.16)

где - индекс, относящийся к микросборкам (микросхе­мам), установленным на одной печатной плате с рассчитывае­мой, для которых ;

- обозначение, введенное для упрощения формы записи.

При одностороннем расположении микросборок (микро­схем) в ячейке

При двустороннем расположении микросборок (микро­схем) в ячейке .

Определить перегрев корпуса микросборки (микросхемы) относительно базовой температуры:

(2.17)

Определить температуру корпуса микросборки (микро­схемы):

. (2.18)

Определить перегрев для микросборки (микросхемы) от­носительно базовой температуры:

. (2.19)

Определить температуру воздуха для микросборки (мик­росхемы):

. (2.20)

Определить собственный перегрев корпуса микросборки (микросхемы):

(2.21)

Определить наведенный перегрев для микросборки (мик­росхемы):

(2.22)

где - индекс, относящийся к микросборкам (микросхе­мам), установленным на одной теплопроводной шине с рассчи­тываемой.

Определить перегрев корпуса микросборки (микросхемы) относительно базовой температуры:

(2.23)

Определить температуру корпуса микросборки (микро­схемы):

. (2.24)