Расчет теплового режима блока

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

1 Назначение аппаратуры

Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС

 

2 Технические требования

 а) условия эксплуатации

- температура среды t_о=30 ^оC

- давление p = 133 × 10⁴ Па

 б) механические нагрузки

- перегрузки в заданном диапазоне

f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30

- удары u = 50 g

 в) требования по надежности

- вероятность безотказной работы P(0.033) ³ 0.8

 

3 Конструкционные требования

 а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой

 б) мощность в блоке P £ 27 Вт

 в) масса блока m £ 50 кг

 г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71

 д) тип амортизатора АД -15

 е) условия охлаждения - естественная конвекция

ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой то к нему предъявляются следующие требования

 высокая надежность

 высокая помехозащищенность

 малая потребляемая мощность

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры

Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю

Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики дополняющие МОП-структуры) Конкретно были выбраны две микросхемы

 К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ

 К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ

 

Параметр	К176ЛЕ5	К176ЛА7
Входной ток в состоянии “0” Iвх0 мкА не менее	-01	-0.1
Входной ток в состоянии “1” Iвх1 мкА не более	01	0.1
Выходное напряжение “0” Uвых0 В не более	03	0.3
Выходное напряжение “1” Uвых1 В не менее	82	8.2
Ток потребления в состоянии “0” Iпот0 мкА не более	03	0.3
Ток потребления в состоянии “1” Iпот1 мкА не более	03	0.3
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р10 нс не более	200	200
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р01 нс не более	200	200

 

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

 

Напряжение источника питания В	5 - 10 В
Нагрузочная способность на логическую микросхему не более	50
Выходной ток Iвых0 и Iвых1 мА не более	05
Помехоустойчивость В	09

 

 

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные

 

Размеры блока	L­1=250 мм L­2=180 мм L­3=90 мм
Размеры нагретой зоны	a1=234 мм a2=170 мм a3=80 мм
Зазоры между нагретой зоной и корпусом	hн=hв=5 мм
Площадь перфорационных отверстий	Sп=0 мм2
Мощность одной ИС	Pис=0,001 Вт
Температура окружающей среды	tо=30 оC
Тип корпуса	Дюраль
Давление воздуха	p = 133 × 104 Па
Материал ПП	Стеклотекстолит
Толщина ПП	hпп = 2 мм
Размеры ИС	с1 = 195 мм с2 = 6 мм c3 = 4 мм

 

Этап 1 Определение температуры корпуса

1 Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q_к

где P₀ - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты

S_к - площадь внешней поверхности блока

Для осуществления реального расчета примем P₀=20 Вт, тогда

2 По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dt_к= 10 ^оС

 

3 Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a_лв, боковой a_лб и нижней a_лн поверхностей корпуса

Так как e для всех поверхностей одинакова и равна e=039 то

 

4 Для определяющей температуры t_m = t₀ + 0.5 Dt_k = 30 + 0.5 10 =35 ^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса

 g - ускорение свободного падения

 g_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 410 [1] и равна g_m=1648 × 10^-6 м²/с

 

5 Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 [1] для определяющей температуры t_m, Pr = 0.7

 

6 Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса

5 × 10⁶ < Gr_н Pr = Gr_в Pr = 1831 ×07 × 10⁷ = 1282 × 10⁷ < 2 × 10⁷ следовательно режим ламинарный

Gr_б Pr = 6832 ×07 × 10⁶ = 4782 × 10⁶ < 5 × 10⁶ следовательно режим переходный к ламинарному

 

7 Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока a_ki

где l_m - теплопроводность газа, для воздуха l_m определяем из таблицы 410 [1] l_m = 00272 Вт/(м К)

 N_i - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса N_i = 0.7 для нижней поверхности N_i = 1 для боковой поверхности N_i = 13 для верхней поверхности

 

8 Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой s_к

9 Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении Dt_ко

где К_кп - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока Так как блок является герметичным, следовательно К_кп = 1

 К_н1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис 412 [1], К_н1 = 1

 

10 Определяем ошибку расчета

Так как d=0332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dt_к= 15 ^оС

 

11 После повторного расчета получаем Dt_к,о= 15,8 ^оС, и следовательно ошибка расчета будет равна

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0053 < [d]=0.1

 

12 Рассчитываем температуру корпуса блока

 

Этап 2 Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

1 Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q_з

где P_з - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, P_з = 20 Вт.

 

2 По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dt_з= 18 ^оС

 

3 Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними a_злн, верхними a_злв и боковыми a_злб поверхностями нагретой зоны и корпуса

Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны e_пi 

где e_зi и S_зi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e_зi = 092 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай)

Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной e_п = 0405 и тогда

 

4 Для определяющей температуры t_m = 05 (t_к + t₀ + Dt_k) = 05 (45 + 30 + 17 =46 ^oC и определяющего размере h_i рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса

 g - ускорение свободного падения

 g_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 410 [1] и равна g_m=1748 × 10^-6 м²/с

Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 [1] для определяющей температуры t_m, Pr = 0.698

Gr_н Pr = Gr_в Pr = 213654 × 0698 = 14913

Gr_б Pr = 875128 × 0698 = 610839

 

5 Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности

 для нижней и верхней

 для боковой поверхности

где l_m - теплопроводность газа, для воздуха l_m определяем из таблицы 410 [1] l_m = 00281 Вт/(м К)

 

6 Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом

где s - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима s = 240 Вт/(м² К)

 S_l - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока

 К_s - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

В результате получаем

 

7 Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dt_зо во втором приближении

где К_w - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, К_w = 1

К_н2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К_н2 = 13

 

8 Определяем ошибку расчета

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0053 < [d]=0.1

 

9 Рассчитываем температуру нагретой зоны

Этап 3 Расчет температуры поверхности элемента

1 Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины l_экв = l_п = 0.3 Вт/(м К), где l_п - теплопроводность материала основания печатной платы

 

2 Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем

где S_0ИС - площадь основания микросхемы, S_0ИС = 00195 × 0006 = 0000117 м²

 

3 Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока

где a₁ и a₂ - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП для естественного теплообмена a₁ + a₂ = 18 Вт/(м² К)

h_пп - толщина ПП

 

4 Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы для ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем тепловом режиме

где В и М - условные величины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 85 p R² Вт/К, М = 2

к - эмпирический коэффициент для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии менее 3R, к = 1.14 для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии более 3R, к = 1

к_a - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис 417) [1] и для нашего случая к_a = 12 Вт/(м² К)

N_i - число i-х корпусов микросхем расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более r_i < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП N_i = 24

К₁ и К₀ - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже

Dt_в - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке

Q_ИСi - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0001 Вт

S_ИСi - суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна S_ИСi = 2 (с₁ × с₂ + с₁ × с₃ + с₂ × с₃) = 2 (195 × 6 + 19.5 × 4 + 6 × 4) = 438 мм² = 0000438 м²

d_зi - зазор между микросхемой и ПП, d_зi = 0

l_зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор

Подставляя численные значения в формулу получаем

 

5 Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы

Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТ_р = -45+70 ^оС, и не требует дополнительной системы охлаждения

 

РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

 

Исходные данные для расчета

 

Масса блока ИС	mис = 24 г = 0024 кг
Плотность дюралюминия	rдр = 2800 кг/м3
Плотность стеклотекстолита	rСт = 1750 кг/м3
Толщина дюралюминия	hk = 1 мм = 0001 м
Толщина печатной платы	hпп = 2 мм = 0002 м
Количество печатных плат	nпп = 60
Количество ИС	nис = 25