Расчет показателей качества разработанной конструкции блока (стр. 1 )

6. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА РАЗРАБОТАННОЙ КОНСТРУКЦИИ БЛОКА

6.1. Расчет теплового режима блока.

6.1.1. Анализ теплового режима блока.

Расчет теплового режима производится с целью проверки обеспечения нормального теплового режима при выбранной системе охлаждения.

Разработанная конструкция представляет собой блок прямоугольной формы, в котором на бобышках установлен пакет из 3-х ФЯ, стянутый винтами. Блок заливается пенопластом ПЭ-9 (теплопроводность порядка 0,02 Вт/(мּК°)). При заливке пенопласт проникает во все зазоры внутриблочного пространства (между ФЯ, между стенками блока и ФЯ и тд.). Фактически, воздушные прослойки во внутриблочном пространстве отсутствуют. Крышка блока выполняется из пенопласта (т. е. корпус блока не имеет крышки). 2-я и 3-я ФЯ представляют собой детали из алюминиевых сплавов, на которых через защитную прокладку наклеиваются печатные платы. На печатных платах установлены тепловыделяющие элементы – микросборки (на 2-й ФЯ - 3 МСБ, на 3-й ФЯ - 2 МСБ). Микросборки крепятся к основанию ПП при помощи клея, также через защитную прокладку. 1-я ФЯ представляет собой "черный ящик" с известными характеристиками.

Все эти особенности конструкции позволяют заключить следующее:

- Внутри корпуса блока тепло распространяется только кондуктивным способом (т. е. только через тепловые сопротивления внутреннего крепежа), так как пенопласт представляет собой хороший изолятор тепла. Конвекция и излучение внутри корпуса отсутствует.

- ФЯ представляют собой достаточно сложную конструкцию и не являются одинаковыми (в плане установленных на них элементов). Структура 1ФЯ отличается от 2-й и 3-й ФЯ, она представляет собой плату из стеклотекстолита с установленными на ней элементами, экранами и т. д.

Наиболее часто тепловое моделирование выполняется методами изотермических поверхностей, однородного анизотропного тела и экспериментальными методами. Метод однородного анизотропного тела в нашем случае неприемлем, так как пакет ФЯ представляет собой не однородную структуру (между ФЯ находится пенопласт, 1ФЯ по своей структуре отличается от 2-й и 3-й ФЯ, на ФЯ расположено разное количество тепловыделяющих элементов и т. д.). Экспериментальный метод теплового моделирования также неприменим в нашем случае, так как создание макета довольно сложная и дорогая задача (производство блока КМ1<100 шт/год).

Учитывая все это, можно сделать вывод, что в нашем случае для теплового моделирования применим только один метод - метод изотермических поверхностей. Он основан на выделении в конструкции поверхностей с одинаковыми или условно одинаковыми температурами в каждой точке поверхности. При этом считается, что теплообмен осуществляется между этими поверхностями.

Составим тепловую схему блока (рис.6.1., рис.6.2., рис.6.3.)

Условные обозначения для рис 6.1.(тепловая схема блока):

- температура окружающей среды;

- температура корпуса блока;

-температура детали 3ФЯ (со стороны приклеенной платы с 2-мя МСБ);

-температура детали 2ФЯ (со стороны приклеенной платы с 3-мя МСБ);

- температура печатной платы (модули М2 и М3) - 1ФЯ;

- температура печатной платы 2ФЯ;

- температура печатной платы ЗФЯ;

- тепловое сопротивление конвективного теплообмена между корпусом и средой;

("1") - тепловое сопротивление теплообмена излучением между корпусом и средой;

- тепловое сопротивление корпуса блока;

- тепловое сопротивление контакта "бобышки - корпус блока";

- тепловое сопротивление бобышки;

- тепловое сопротивление контакта "3ФЯ - бобышки";

-тепловое сопротивление 3ФЯ;

-тепловое сопротивление контакта "втулки - 3ФЯ";

-тепловое сопротивление втулки (между 3-й и 2-й ФЯ);

- тепловое сопротивление контакта "2ФЯ - втулки";

- тепловое сопротивление 2ФЯ;

- тепловое сопротивление контакта "втулки1 - 2ФЯ";

- тепловое сопротивление втулки (между 1-й и 2-й ФЯ);

- тепловое сопротивление контакта "1ФЯ – втулки1";

- тепловое сопротивление 1ФЯ;

- тепловое сопротивление слоя мастики между защитной диэлектрической прокладкой и материалом детали ФЯ (и между защитной диэлектрической прокладкой и ПП ФЯ).

- тепловое сопротивление материала защитной диэлектрической прокладки;

-тепловое сопротивление материала ПП ФЯ.

Условные обозначения для рис.6.2. и рис.6.3. (тепловые схемы 3-й и 2-й ФЯ):

- температура подложек МСБ (соответственно, для 3ФЯ и 2ФЯ);

- температура бескорпусных МСХ (соответственно, для 3ФЯ и 2ФЯ);

("2") - температура пленочных резисторов (соответственно, для 3ФЯ и 2ФЯ);

- тепловое сопротивление слоя мастики между ПП и защитной прокладкой МСБ (и между защитной прокладкой и основанием МСБ);

- тепловое сопротивление основания МСБ;

- тепловое сопротивление слоя клея между основанием МСБ и подложкой;

- тепловое сопротивление подложки МСБ;

- тепловое сопротивление бескорпусной микросхемы 765КП1-1;

- тепловое сопротивление слоя клея между микросхемой и подложкой;

- тепловое сопротивление выводов микросхемы;

-тепловое сопротивление пленочного резистора;

При составлении тепловых схем в целях упрощения дальнейших расчетов были сделаны следующие допущения:

- не учитывалось тепловое сопротивление заливочного пенопласта, так как он является хорошим изолятором тепла;

- не учитывалось, что корпус выполнен из разных материалов (основание - АМц3 - толщина 2 мм, О-образная обечайка - АМц1,5-толщина 1,5 мм), а также не учитывалось то, что части, корпуса, соединены между собой припоем. Это оправдывается достаточно высоким коэффициентом теплопроводности материалов и припоя. В дальнейшем будет показано, что для упрощения расчетов тепловое сопротивление корпуса можно исключить из тепловой схемы;

- не учитывалось тепловые сопротивления винтов, закрепляющих пакет ФЯ, так как теплопроводность винтов значительно ниже, чем теплопроводность втулок (АМг6), внутри которых расположены винты.

- не учитывалось тепловое сопротивление заливочного компаунда "Эластосил 137-180" МСБ, так как в основновном компаунд контактирует (помимо элементов, компонентов МСБ и подложки) с пенопластом. Кроме того, он тоже является довольно хорошим изолятором тепла;

- не учитывалось тепловое сопротивление защитного фоторезиста ФН-11 из-за его малой толщины;

- не учитывалось тепловое сопротивление выводов МСБ, из-за их достаточно большой протяженности и малого сечения;

При расчетах будем пренебрегать тепловыми сопротивлениями корпуса, ФЯ (2-й и 3-й), основания МСБ (соответственно , так как толщина этих деталей составляет порядка 1..2 мм, и материалы деталей (корпус блока – Амц3, АМц 1,5; детали ФЯ - АМг3; основание МСБ - ковар) имеют достаточно высокую теплопроводность (порядка 160-170Вт/(мּК)).

Кроме того, при расчетах также будем пренебрегать тепловыми сопротивлениями контактов "металл-металл", ввиду их незначительности.

На тепловых схемах тепловые сопротивления не участвующие в расчетах изображены пунктирной линией( ).

С учетом всех этих допущений тепловая схема отражает все основные пути тепла во внутриблочном пространстве, а также теплообмен блока с внешней средой. Согласно разделу "Описание конструкции блока", а также тепловой схеме, структура 2-й и 3-й ФЯ идентичны (одинаковы геометрические размеры ФЯ, используются одни и те же материалы, геометрические размеры плат и защитных прокладок также одинаковы и т. д.). Кроме того, и на 2-й и на 3-й ФЯ установлены МСБ с идентичной конструкцией и с одной и той же технологией изготовления. Учитывая, что поверхности плат являются изотермическими, на 2-й и 3-й ФЯ будем рассчитывать температуру элементов только для одной МСБ, установленной на ПП ФЯ. Мощности рассеивания МСБ модуля M1 (разработка которого не входит в объем дипломного проекта) согласно его принципиальной электрической схеме практически идентичны мощностям рассеивания МСБ модуля М4 (30мВт) и элементы и компоненты, входящие в состав модуля M1 в основной массе те же самые, что и в модуле M1, поэтому с целью упрощения теплового расчета будем заменять модуль M1 модулем М4. Таким образом, для определения температур элементов и компонентов МСБ, установленных на 2-й и 3-й ФЯ будем рассматривать только один модуль М4 (т. е. по одному на каждую ФЯ). В состав конструкции блока входит 1ФЯ, выполненная на печатной плате из СТФ-1. 1ФЯ представляет собой "черный ящик" с известными параметрами, в том числе и тепловыми. Учитывая это, детализировать тепловой расчет 1ФЯ (определяя температуры элементов ФЯ) не будем, а ограничимся определением температуры 1ФЯ. При этом, мощность 1ФЯ учитывается при нахождении среднеповерхностной температуры корпуса блока (при определении перегрева корпуса блока), поэтому тепловой расчет блока является корректным для нашего случая.

("3") Для определения температур элементов МСБ и 1ФЯ необходимо определить среднеповерхностную температуру корпуса блока.

Для определения среднеповерхностной температуры корпуса, как правило, используются три метода: метод последовательных приближений, метод тепловой характеристики и коэффициентный метод. Учитывая, то, что в нашем случае конструкция блока оригинальна, можно сделать вывод о том, что коэффициентный метод в нашем случае неприменим, так как его область применения ограничивается типовыми конструкциями (для которых определены коэффициенты). Метод последовательных приближений позволяет с высокой точностью определить перегрев корпуса, однако он достаточно трудоемкий (к тому же в нашем случае большая точность не требуется). Поэтому будем использовать метод тепловой характеристики, который позволяет с приемлемой точностью и трудоемкостью определить среднеповерхностную температуру корпуса.

6.1.2. Определение среднеповерхностной температуры корпуса методом тепловой характеристики.

Исходные данные для расчета:

- Габаритные размеры корпуса: 120х 120х40мм

- Тепловой поток блока: 1,3 Вт

- Максимальная температура окружающей среды: +50°С

- Минимальное давление окружающей среды: 20кПа

- Корпус окрашен серой эмалевой краской

- Окружающая среда вокруг корпуса блока : сухой азот

Поверхность корпуса считаем изотермической со среднеповерхностной температурой . Тепло от корпуса к окружающей среде передается конвекцией и излучением.

Определим площадь поверхности теплообмена (учитывая при этом, что в теплообмене не участвует крышка корпуса, выполненная из пенопласта):

Характерный размер конструкции L:

Зададим перегрев корпуса в первом приближении = 5 °С.

Температура корпуса в первом приближении :

Среднее значение температуры окружающей среды :

("4") Учитывая, что воздух на 78% состоит из азота, в расчетах будем использовать параметры сухого воздуха (табл. п. 5, [7]) при температуре :

- коэффициент теплопроводности =0,02845 Вт/(м • с)

- коэффициент кинематической вязкости =18,2ּ10-6 м2/с.

- критерий Прандтля =0,6978

Коэффициент объемного расширения воздуха :

Определим критерий Грасгофа:

Определим произведение критерия Грасгофа на критерий Прандтля:

По таблице (табл.5.1., [7]) определяем, что режим движения воздуха - переходной, коэффициенты теплообмена . Определим критерий Нуссельта:

Определим коэффициент теплопередачи в первом приближении:

По номограмме найдем =6,5, которое зависит от и (рис.5.10., [7]).

Для эмалевых серых красок определяем степень черноты корпуса - =0,92 (табл. п.4., [7]). =0,8.

Тогда

Эквивалентная тепловая проводимость между корпусом и средой :

Метод тепловой характеристики состоит в построении по расчетным данным зависимости , по которой для любого значения теплового потока можно найти перегрев и температуру j-и точки конструкции.

("5") Для начального перегрева =5°C была найдена эквивалентная тепловая проводимость "корпус - окружающая среда" =0,3 82 Вт/К.

Найдем тепловой поток , который способна рассеять конструкция при данных условиях теплообмена:

Отложим точку А () на тепловой характеристики (рис. 6.4):

В

Рис.6.4. Тепловая характеристика блока коммутатора.

Δt׀K=5 0C

P=1,3Вт

P, Вт

0,1

5

4

3

2

1

1

Так как при выключенном блоке (Р=0 Вт) перегрев корпуса =0, то второй точкой тепловой характеристики служит начало координат (0;0). Соединим эти точки и построим тепловую характеристику. Блок рассеивает тепловой поток . Этому тепловому потоку на тепловой характеристике будет соответствовать точка В, для которой перегрев = 3,5°C.

Так как метод тепловой характеристики рассчитан для нормального давления воздуха, то в нашем случае перегрев будет больше за счет воздействия пониженного давления. Определим перегрев корпуса с учетом воздействия пониженного давления:

; где - коэффициент, учитывающий давление окружающей среды.

=20кПа=150мм. рт. ст. По графику определяем =1,18(рис.5.24.,[7]);