1.5 Конструкторские  расчеты 

1.5.1.Выбор системы охлаждения

 

  При выборе системы охлаждения необходимы следующие исходные данные:

• тепловой поток, рассеиваемый поверхностью теплообмена (корпуса) конструкции, Q ≈ P_пит = 12 Вт;
• площадь поверхности теплообмена (корпуса), S_к = 0,013 м²;
• допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента, t = 120°С;
• максимальная температура окружающей среды, t _о.ср. = 60°С;
• минимальное давление окружающей среды, Н_{о. ср.} = 610 мм. рт.ст.

   При расчете системы охлаждения воспользуемся методикой изложенной в  (7, с. 12-26)

   Значение  теплового потока можно определить по формуле: 

Р = P_пит

(1 - η), 

где     Р - значение теплового потока, Вт;

     P_пит – мощность, потребляемая от источника питания, Вт;

     η – коэффициент полезного действия устройства, η = 0,6. 

Р = 12

(1-0,6) = 4,8 Вт, 

  Поверхностная плотность теплового потока определяется по формуле: 
 

q =

, 

где     q - поверхностная плотность теплового  потока, Вт/м²;

     К_н – поправочный коэффициент на давление окружающей среды; 

, 

где Н – нормальное давление, Н = 760 мм.рт.ст. 

К_н =1/

= 1,12, 

q = = 199 Вт/м²,    

Минимально  допустимый перегрев элементов конструкции рассчитывается по формуле:

∆t = |t_{i min} – t_о.ср| , 

∆t = |120 – 60| = 60 °С, 

   По  рассчитанным значениям ставим точку, на рисунке 3.2, положение которой определяет систему охлаждения конструкции. Охлаждение естественное воздушное. 

   Рис. 3.2. Выбор системы охлаждения

    1…9 – области  целесообразного применения различных  способов охлаждения:

1 - естественное  воздушное, 2 - естественное и принудительное воздушное,

3 - принудительное  воздушное, 4 - принудительное воздушное и жидкостное,

5 - принудительное жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и естественное испарительное,

7 - принудительное  жидкостное, принудительное и естественное  испарительное, 

8 - естественное  и принудительное испарительное, 9 - принудительное испарительное. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.5.2.Расчет теплового режима блока

 

   В эксплуатации разрабатываемое изделие  подвергается воздействию температуры  окружающей среды, механическим и климатическим  воздействиям.

   Температурные воздействия снижают надежность и являются одним из дестабилизирующих  факторов. Характерными дефектами, вызванными тепловыми воздействиями, являются ухудшение изоляционных свойств материалов, изменения параметров перехода полупроводниковых приборов, значений емкостей и сопротивлений ЭРЭ, снижение механических свойств полимерных материалов. В разрабатываемой конструкции возникают напряжения, которые приводят к деформациям конструкций, вызывая обрывы проводников и электрических соединений и ослаблению соединений.

   Обеспечение необходимых условий работы заключается  в создании установившегося режима, когда количество рассеиваемого тепла в окружающую среду равно выделенному количеству. 

   Расчет  теплового режима блока производят в два этапа:

1. определение температуры корпуса блока t_к;
2. определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з.

 

   Для выполнения расчета теплового режима необходимы следующие исходные  данные:

• размеры корпуса блока:

                        - длина L = 0,111 м;

                        - ширина B = 0,110 м;

                        - высота H = 0,455 м;

• размеры нагретой зоны l b h, м   0,09 0,09 0,01;
• величина воздушного зазора между:

нагретой  зоной и нижней поверхностью корпуса h_н = 0,002 м,

   нагретой  зоной и верхней поверхностью корпуса h_в = 0,001 м

   нагретой  зоной и боковой поверхностью корпуса h_б = 0,00275;

• мощность радиоэлементов, расположенная непосредственно на корпусе блока 0,25 Вт;
• температура окружающей среды t_о = 60^оС

 

Методика  расчета, дополнительные параметры, необходимые для расчета представлены в (7, с. 142-150) и в данной работе подробно не описываются. 

   1. Определение температуры корпуса. 

1) Удельная  поверхностная мощность корпуса  блока рассчитана ,q =199 Вт/м².

2) Перегрев  корпуса блока в первом приближении    t_к = 20^оС.

3) Определяем  коэффициент лучеиспускания для  верхней  _лв, боковой _лб, нижней _лн поверхности корпуса:

, 

где     ε_i – степень черноты i-й наружной поверхности корпуса, ε_лi = 0,92. 

   При расчете получилось: _лв = _лб = _лн = 8,43. 

4) Для  определяющей температуры t_m = t_o+ 0,5 t_к рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса: 

Gr_mi = _m g t_к ,  

где     L_опрi – определяющий размер i-й поверхности корпуса,

     g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м с^-2;

     ν_m – кинетическая вязкость газа, ν_m = 23,13 10^-6 м²/с;

      _m – коэффициент объемного расширения, для газов 

_m = (t_m+ 273)^-1 ,  
 

t_m = 60 + 0,5 20 = 70 ^oC,  

 _m = (70+273)^-1 = 0,0029,  

 Gr_mв = Gr_mб = Gr_mн = 0,0029 9,8 20 = 30,1        

5) Определяем  число Прандтля Рr из (5, с. 145): Рr = 0,696 

6) Находим режим  движения газа, обтекающего каждую  поверхность корпуса: 

(Gr Рr)_mв = (Gr Рr)_mн = (Gr Рr)_mб =21.              (1,22) 

Так как (Gr Рr)_mi 5 10², то режим переходный к ламинарному. 

7) Рассчитываем  коэффициенты теплообмена конвекцией  для каждой поверхности корпуса  блока  _кi: 

_кi = 1,18 (Gr Рr)^1/8_m N_i ,                                       (1,23) 

где     _m – теплопроводность газа, _m = 2,9 10^-2 Вт/м К,

       N_i – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса: 

                      N_i =  

кн = 1,18 (21)^1/8 0,7 = 0,33;

кб = 1,18 (21)^1/8 1 = 0,47;

кв = 1,18 (21)^1/8 1,3 = 0,61. 

8) Определяем  тепловую проводимость между  поверхностью корпуса и окружающей  средой σ_к: 

σ_к = (

кн+ _лн) S_н+( _кб+ _лб) S_б+( _кв+ _лв) S_в, 
 

где     S_н, S_б, S_в – площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса соответственно;

S_н = S_в = L

B = 0,11 0,1 = 0,011 м², 

S_б = 2H (L+B) = 2

0,015 (0,11 + 0,1) = 0,0036 м²  

При расчете  получилось:                    σ_к = 0,25 

9) Рассчитываем  перегрев корпуса блока во  втором приближении по формуле:

t_ко = (Р_о/ σ_к) К_кп К_н1, 

где     К_кп – коэффициент, зависящий от коэффициента перфорации корпуса блока, К_кп = 0,8

К_н1 – коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды,К_н1 = 1,18 

t_ко = (4,55 / 0,25) 0,8 1,2 = 22,8 ^оС,    

10) Определяем  ошибку расчета по формуле: 

= / t_ко, 

= / 22,8 = 0,090

       Так как  < 0,1, то расчет можно закончить. 

11) Рассчитываем температуру корпуса блока по формуле: 

t_к = t_o +

t_ко , 

t_к = 60 + 22,8 = 82,8 ^oC 

       Этап 2. Определение поверхностной (средней) температуры нагретой зоны. 

1) Вычисляем  условную удельную поверхностную  мощность нагретой зоны блока q₃ по формуле:

                        q₃= ,                                                

где     Р₃ – мощность, рассеиваемая в нагретой зоне, Р₃ = Р_о - Р_к 

       Расчет: q₃ = =  =325 Вт/м² 

2) Перегрев нагретой  зоны относительно температуры,  окружающей блок среды в первом  приближении:

                                  t_з =  21 ^оС 

3) Определяем  коэффициент теплообмена излучением  между нижними  _злн, верхними _злв и боковыми _злб поверхностями нагретой зоны и корпуса: 

             

злi = ε_пi 5,67[( )⁴ – ( )⁴] / ( t_з - t_ко) 

где     ε_пi – приведенная степень черноты i-й поверхности нагретой зоны и корпуса: 

                 ε_пi = [

+ ( - 1) ]^-1,                                                    

где     ε_3i и ε_ki – степень черноты и площадь i-й поверхности нагретой зоны.