21175

Тепловые воздействия на конструкции СВТ

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Комплекс технических средств реализующих тот или иной способ отвода тепла от аппаратуры в окружающую среду назовем системой охлаждения. В зависимости от характера контакта теплоносителя с поверхностью источника тепла различают системы охлаждения прямого и косвенного действия. Воздушные жидкостные и испарительные системы охлаждения могут работать по разомкнутому и замкнутому циклу. В первом случае отработанный нагретый теплоноситель удаляется из системы и больше в ней не используется во втором случае отработанный теплоноситель охлаждается...

Русский

2013-08-02

175.5 KB

13 чел.

Тепловые воздействия на конструкции СВТ

Практически вся мощность, потребляемая компонентами СВТ выделяется в виде тепловой энергии. Температурный предел работ ЭРЭ, особенно с учетом повышения требований к надежности аппаратуры, остается практически на одном уровне, например, не выше +50...+70°С на корпусе для ИМС. Некоторые современные процессоры могут рассеивать до 100 Вт энергии. Поэтому настоящее и будущее микроэлектронной аппаратуры связано с использованием больших мощностей при сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния и плотности рассеиваемой теплоты. Таким образом, при конструировании микроэлектронной аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры.

Тепловой режим блока электронной вычислительной аппаратуры характеризуется совокупностью температур отдельных его точек – температурным полем. Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называется нормальным.

В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным или нестационарным. Неизменность температурного поля во времени характеризует стационарный режим. Зависимость температурного поля от времени характерна для нестационарного режима. Этот режим имеет место в тех случаях, когда собственная теплоемкость аппарата соизмерима с количеством теплоты, выделяемой при работе. Обычно нестационарный режим имеет место при одиночных и кратковременно повторяющихся тепловых нагрузках.

По характеру направленности теплового потока разделяют термоактивные и термопассивные элементы. Термоактивные элементы служат источниками тепловой энергии, а термопассивные – ее приемниками.

Перенос теплоты от нагретого тела к холодному (или к окружающей среде) происходит за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергией между находящимися в соприкосновении телами или частями тел, обусловленный взаимодействием молекул и атомов этих тел.

Конвекция – перенос энергии макрочастицами газа или жидкости.

Перенос теплоты излучением происходит за счет превращения тепловой энергии в энергию излучения (лучистая энергия).

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает практически сложным точный расчет температурного поля. Поэтому на практике расчет проводится, как правило, для одного наиболее эффективного вида теплообмена, не принимая во внимание все другие.

Комплекс технических средств, реализующих тот или иной способ отвода тепла от аппаратуры в окружающую среду, назовем системой охлаждения.

В зависимости от характера контакта теплоносителя с поверхностью источника тепла различают системы охлаждения прямого и косвенного действия. В первых теплоноситель непосредственно омывает поверхность источника тепла, во вторых между поверхностью источника тепла и теплоносителем имеются дополнительные конструктивные элементы.

Воздушные, жидкостные и испарительные системы охлаждения могут работать по разомкнутому и замкнутому циклу. В первом случае отработанный (нагретый) теплоноситель удаляется из системы и больше в ней не используется, во втором случае отработанный теплоноситель охлаждается в специальном теплообменнике и вновь подается для охлаждения источников тепла.

Тепловой анализ проекта является неотъемлемым этапом проектирования, который выполняется в самом начале процесса проектирования, т.к. на более поздних стадиях проекта наличие теплового воздействия может вызвать пересмотр всего проекта.

  1.  Первым и наиболее важным моментом является выбор таких элементов, которые соответствуют рабочему диапазону температур в заданном техническом задании.
  2.  Равномерное размещение тепловыделяющих элементов на коммутационном поле.
  3.  Установка теплоотводов и организация вентиляции.

К другим рекомендательным действиям по обеспечению нормального теплового режима относят:

  1.  Чувствительный к нагревающим элементам электролитические конденсаторы и полупроводниковые приборы необходимо размещать отдельно от интенсивных источников тепла, таких как проволочные резисторы, мощные диоды, транзисторы, регуляторы напряжения, устанавливаемые на теплоотводах.
  2.  Вокруг теплоотводов должны быть созданы хорошие условия для циркуляции воздуха.
  3.  Необходимо иметь ввиду, что интенсивность охлаждения теплоотвода тем выше, чем больше площадь его поверхности.
  4.  При необходимости можно делать вентиляционные отверстия, диаметр которых не должен приводить к источнику помех.
  5.  Расчет тепловыделения необходимо производить для более жестких условий эксплуатации.
  6.  Необходимо учитывать, что установка теплоотводов и вентиляторов сама по себе поглощает внутреннее пространство устройства, что приводит к ухудшению условий вентиляции.
  7.  Требования к охлаждению должны определяться назначением оборудования и степенью его надежности.
  8.  Расчет тепловых процессов в системе производится с помощью автоматизированных систем, которые обладают необходимыми средствами для моделирования тепловых режимов.
  9.  Как правило, проводится съемка рабочего макета печатной платы с помощью тепловизоров в условиях предельной нагрузки с целью выявления наиболее тепловыделяющих частей и их распределения по площади платы.

При разработке платы необходимо учитывать как тепловые воздействия, возникающие при работе схемы, так и тепловые воздействия, которым будет подвергаться плата или устройство в процессе пайки.

Способы охлаждения могут быть охарактеризованы коэффициентом теплоотдачи, значения которого для различных систем охлаждения приведены в табл. 1.10.1.

Таблица 1.10.1

Система охлаждения

Коэффициент теплоотдачи К,

Вт/(м2 °С)

Естественная, воздушная, излучением

2-10

Принудительная воздушная

10-150

Естественная жидкостная

200-600

Принудительная жидкостная

300-3000

Испарительная

500-120000

Для стационарной электронной вычислительной аппаратуры используются в основном способы охлаждения теплопроводностью, воздушное естественное и принудительное, а также принудительное воздушное с дополнительным охлаждением жидкостью в трубопроводах.

Процесс передачи теплоты теплопроводностью объясняется обменом кинетической энергией между молекулами вещества и диффузией электронов. Оба эти явления имеют место в тех случаях, когда температура вещества в различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева. Для увеличения эффективности теплообмена путем теплопроводности необходимо увеличивать площадь теплопроводящей поверхности, уменьшать путь передачи теплоты (например, толщину стенки), использовать материалы с высокой теплопроводностью.

Системы с естественным и принудительным воздушным охлаждением наиболее просты и доступны, так как все элементы большинства СВТ находятся в объеме, заполненном воздухом или инертным газом. Теплота от нагретых корпусов микросхем передается окружающей атмосфере за счет естественной конвекции. Эффективность естественного воздушного охлаждения тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса. Большое значение также имеет плотность окружающей среды, при уменьшении которой отвод теплоты от поверхности корпуса уменьшается.

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздуха (или другой среды), нагреваясь от выделяющего теплоту корпуса и обладая вследствие этого меньшей плотностью и большей кинетической энергией, перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена естественной конвекцией зависит от места расположения элементов в объеме машин. Так, при вертикальном расположении ячеек с микросхемами воздушному потоку ничего не препятствует, и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат ячеек смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей степени. В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса машины, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит и их охлаждение осуществляется только за счет теплоотдачи через холодную крышку.

Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности выделяемой аппаратурой во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности.

Улучшение охлаждения можно получить искусственным увеличением площади поверхности корпуса, например введением специальных ребер – радиаторов.

Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпуса СВТ. В этом случае в аппаратуру извне поступают холодные слои воздуха, которые вытесняют теплые слои через отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия следует предусматривать и в боковых стенках корпуса машины, оформляя их в виде жалюзи. Эффективность использования жалюзи и вентиляционных отверстий падает с уменьшением давления окружающего воздуха, т.е. с увеличением высоты над уровнем моря. Так, если на уровне моря уменьшение перегрева за счет применения жалюзей оценивается в 33%, то на высоте 6 км над уровнем моря оно уменьшается до 15%, на высоте 12 км – до 6%, на высоте свыше 12 км жалюзи не уменьшают перегрев.

При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод от внутренних полостей корпуса СВТ осуществляется движущимися потоками воздуха, объем и скорость движения которых определяются специальными устройствами, как правило, вентиляторами. При этом охлаждаются элементы, выделяющие теплоту, и промежуточные теплоносители, например вода, используемая для охлаждения особо теплонагруженных узлов. Чем ниже температура охлаждающего воздуха и выше скорость его движения, тем эффективнее принудительное воздушное охлаждение.

Для особо горячих ИМС или микропроцессоров применяют и полупроводниковые холодильники на модулях, использующих эффект Пельтье. Холодильник Пельтъе работает по принципу теплового насоса: он отбирает тепло с одной стороны модуля и выделяет его на другой стороне, обеспечивая разность температур до нескольких десятков градусов. При этом он и сам потребляет значительную мощность, соизмеримую с потребляемой мощностью охлаждаемого элемента (то есть десятки ватт), и выделяет ее в виде тепла. Таким образом, вентилятор, обдувающий радиатор холодильника Пельтье, должен выносить из корпуса компьютера значительно больше тепла, чем выделяет сам процессор. Это является расплатой за возможность охлаждения отдельных элементов до температуры, меньшей, чем температура окружающего воздуха. Здесь имеются и побочные эффекты – на холодной части может конденсироваться влага, что чревато утечками тока (замыканием проводников). Холодильник питается либо от общего блока питания компьютера (по линии +5 В), либо от отдельного источника питания. Холодильник может быть управляемым и неуправляемым; в управляемом холодильнике имеется термодатчик, который включает холодильник лишь при определенном пороге температуры охлаждающей стороны. Неуправляемый холодильник может заморозить процессор (до зависания) при переходе процессора в энергосберегающий режим. Отключенный или вышедший из строя холодильник представляет собой теплоизолятор, под которым процессор, работающий на полной мощности, может сгореть.

Выбор способа охлаждения на ранней стадии проектирования.

Способ охлаждения во многом определяет конструкцию, поэтому уже на ранней стадии проектирования (техническое предложение и эскизный проект) необходимо выбрать способ охлаждения и только после этого приступить к разработке. На ранней стадии в распоряжении конструктора имеется техническое задание, в котором заключены сведения о характерах теплового режима, для выбора способа охлаждения требуются следующие данные:

- мощность рассеиваемая в блок P [Вт];

- диапазон возможного изменения температуры окружающей среды , ;

- пределы изменения давления окружающей среды , ;

- время непрерывной работы ;

- температура наименее теплостойкого элемента ;

Прежде чем приступить к расчету, необходимо рассчитать коэффициент заполнения по объему:

.

где  - объем i-ого элемента;

- число элементов;

- объем занимаемый электронной системой.

Коэффициент заполнения по объему характеризует степень полезного использования объема он, как правило, задается в техническом задании.

Расчет теплового режима осуществляют с помощью графиков, характеризующих целесообразность применения различных способов охлаждения. Эти графики построены на основе статистических данных. Для удобства их использования необходимо получить некоторые количественные данные.

При расчете время непрерывной работы  должно быть длительным, так как кратковременного или периодического режимов описанный способ применить нельзя. На тепловые характеристики влияние оказывает давление, особенно пониженное. Площадь корпуса электронной системы и коэффициент заполнения по объему  используются для определения условной величины поверхности теплообмена, который определяется:

где  - геометрические размеры корпуса аппарата.

В том случае если способ охлаждения выбирается для большого элемента, то величина поверхности теплообмена определяется из соответствующих чертежей по геометрическим размерам поверхности находящемся в непосредственном контакте с теплоносителем. За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения принимается величина плотности теплового потока проходящего через поверхность теплообмена. Эта величина определяется следующим образом:

,

где  - коэффициент, учитывающий давление воздуха. Определяется по специальным таблицам.

При нормальном атмосферном давлении .

Вторым показателем может служить минимально допустимый перегрев элемента, который определяется следующим образом:

,

где  - допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента, т.е. это, есть минимальное значение температуры элемента, а для больших элементов, это допустимая температура охлаждаемой поверхности.

- температура среды; для естественного воздушного охлаждения , т.е. соответствует максимальной температуре, которая задается в техническом задании; для принудительного воздушного охлаждения , т.е. соответствует температуре воздуха (жидкости) на входе в электронную систему.

На рис. 1.10.1 показаны области целесообразного применения различных способов охлаждения. Верхние кривые соответствуют , обычно их применяют для выбора способа охлаждения больших элементов, нижние кривые – блоков, стоек и т.д.

Рис. 1.10.1 – Диаграмма выбора способа охлаждения

Здесь: 1 – естественное воздушное охлаждение; 2 – возможно применение естественного и принудительного воздушного охлаждения; 3 – принудительное воздушное охлаждение; 4 – принудительное воздушное и жидкостное охлаждение; 5 – принудительное жидкостное охлаждение; 6 – принудительное жидкостное и естественное испарительное охлаждение; 7 – принудительное жидкостное принудительное и естественное испарительное охлаждение; 8 – принудительное и естественное испарительное охлаждение; 9 – принудительное испарительное охлаждение.


q

ΔTc


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14722. Таблицы решений 128 KB
  Лабораторная работа № 3. Таблицы решений Цель работы Целью работы является изучение таблиц решений и спецификация с помощью данного механизма логики вычислительных процессов. Содержание отчета Итоговым документом выполнения лабораторной работы является отчет с
14723. Flow-формы и диаграммы Насси-Шнейдермана 44 KB
  Лабораторная работа № 2. Flowформы и диаграммы НассиШнейдермана Цель работы Изучение и практическое применение принципов разработки спецификаций вычислительных процессов с помощью визуальных языков Flowформ и диаграмм НассиШнейдермана. Содержание отчета Итоговы
14724. Схемы алгоритмов 76 KB
  Контрольная работа. Схемы алгоритмов Цель работы Целью работы является практическое изучение процесса спецификации алгоритмов с помощью схем. Содержание отчета Итоговым документом выполнения контрольной работы является отчет состоящий из следующих пунктов. ...
14725. Определение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника 48 KB
  отчёт по лабораторной работе № 20 Определение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника Расчетная формула. 4πL₀ T где L₀ – приведенная длина оборотного маятника; T период колебаний маятника. Эскиз установки. ...
14726. Анализ дискретной математической модели непрерывного динамического объекта 463.34 KB
  Лабораторная работа №4 Анализ дискретной математической модели непрерывного динамического объекта Цели работы: выполнить анализ заданного непрерывного объекта; выбрать несколько периодов квантования объекта; получить дискретные ММ непрерывного объект
14727. Синтез и исследование динамических наблюдателей состояния линейных объектов управления 224.99 KB
  4 Лабораторная работа №3 Синтез и исследование динамических наблюдателей состояния линейных объектов управления Цель работы: ознакомление с современными методами наблюдения состояния технических объектов в системах управления синтеза соответству...
14728. Исследование эквивалентных преобразований математических моделей динамических систем в пространстве состояний 36.36 KB
  4 Лабораторная работа №2 Исследование эквивалентных преобразований математических моделей динамических систем в пространстве состояний Цели работы: исследовать управляемость и наблюдаемость системы; привести ММ управляемой ДС к основной норм
14729. Анализ и планирование показателей рецептуры в Сети аптек «Винницкая городская аптека» 527.5 KB
  Руководство отделами осуществляют заведующие отделами и их заместители. В штате РПО предусмотрены должности провизоров и фармацевтов. Провизоры выделяются для приема рецептов на лекарства индивидуального изготовления и ГЛС, осуществления контроля качества приготовляемых лекарств
14730. Ознакомительная работа в среде MuLisp. Базовые функции Лиспа. Символы, свойства символов. Средства языка для работы с числами 76 KB
  Лабораторная работа № 1. Тема: Ознакомительная работа в среде MuLisp. Базовые функции Лиспа. Символы свойства символов. Средства языка для работы с числами. Цель: Ознакомиться со средой MuLisp. Изучить базовые функции Лиспа символы и их свойства а также средства для работы с...