Температура элементов блока с принудительным охлаждением

Температура перфорированного блока

Для увеличения интенсивности теплоотвода кожух блока перфорируют, либо в нем делают жалюзи. При равной площади перфорационных отверстий и жалюзи послед­ние пропускают несколько меньший поток воздуха. Необходимо иметь в виду, что при перфорированном кожухе внутренний объем блока скорее запылится по сравнению с блоком, имеющим жалюзи. В зависимости от конструктивных особенностей внутрен­него строения блока нагретую зону можно представить в нескольких вариантах:

• основной конструктив блока — горизонтальное шасси с расположенными на нем крупногабаритными теплоизлучающими элементами, Предполагается, что шасси имеет отверстия для прохода воздуха;

• блок состоит из ряда кассет или ячеек, расположенных горизонтально или верти­кально;

• для шасси с крупногабаритными элементами и кассет, расположенных верти­кально или горизонтально, размеры нагретой зоны определяются, как и в случае ♦герметичного» блока.

Тепловые модели блока, используемые при расчетах, приведены на рис. 4.5.20.

 

Рис. 4.5.20. Тепловые модели блока: а — расчетная модель блока; б — эквивалентная схема тепловых проводимостей

Исходные данные

Р — суммарная мощность тепловыделения в блоке (потребляемая мощность блока или выбирается из анализа схемы электрической принципиальной), Вт;

L₁ L₂ L₃, — геометрические размеры блока, м;

S₁ S₂ S_III— площади отверстий кожуха в областях 1, 2 (см. рис. 4.5.20, а) и шасси; м²;

t_с — температура окружающей среды.

Последовательность расчета

1. Расчет начинают с предположения, что кожух не имеет вентиляционных отвер­стий, т. е. блок герметичный. Строят тепловые характеристики по методике расчета температуры нагретой зоны одиночного блока (рис. 4.5.19).

2. Задаются перегревом нагретой зоны А^₃₉ и находят перегрев кожуха герметич­ного блока для этой температуры. Перегрев кожуха перфорированного блока опреде­ляется по формуле:

(4.5.32)

где подстрочные индексы, П,Г означают соответственно перфорированный и герметич­ный корпус.

Затем по графику рис. 4.5.18 находят мощность Р_КУ соответствующую этому пере­греву.

3. Задаются коэффициентом теплоотдачи от зоны к кожуху (рекомендуется ве­личину а\_к в первом приближении выбирать равной 4-6, Вт/(м²К) [29]).

4. Мощность теплоотвода от зоны к кожуху за счет лучеиспускания

(4.5.33)

где — приведенная степень черноты нагретой зоны и внутренней поверхности ко­жуха (величину можно взять из расчета блока при условии герметичности кожуха);

= 1 — кожух «обтягивает» нагретую зону;

S₃ — площадь поверхность нагретой зоны (определена ранее при расчете герме­тичного блока).

5. Температура воздуха в первой (нижней) области определяется из решения

уравнения

(4.5.34)

Здесь (4.5.35)

(4.5.36)

(4.5.37)

(4.5.38)

(4.5.39)

 

Где — поверхности нагретой зоны и кожуха в соответствующих областях.

Из двух значений температур выбирают такое, чтобы выполнялось условие, так как температура воздуха в первой области (нижней) всегда ниже, чем во второй (верхней).

6. Температура воздуха во второй области в первом приближении равна

(4.5.40)

7. Температура воздуха вблизи отверстий шасси или каналов между вертикаль­ными кассетами рассчитывается по формуле:

(4.5.41)

8. Температура воздуха на выходе из кожуха (из области 2) равна

(4.5.42)

9. Количество протекающего воздуха через блок определяется выражением:

(4.5.43)

где S₁, S₂, S_Ш — площади перфораций в областях 1, 2 и шасси (нагретой зоне);

h₁ и h₂— средневзвешенные расстояния от середины нагретой зоны в областях 1 и 2 до центра группирования отверстий;

— коэффициенты расхода воздуха через жалюзи в соответствующих об­ластях (если имеются перфорации, то = 0,65);

Величина для жалюзи зависит от их формы и угла раскрыва (табл. 4.5.7);

Т₁ Т₂, Т_с — абсолютные температуры соответствующих областей.

, град.	Значение при b/l	Эскиз жалюзи
	1:4	1:3	1:2
	0,30	0,27	0,23
	0,45	0,43	0,39
	0,56	0,54	0,50
	0,62	0,60	0,56
	0,65	0,64	0,62

 

Величина для жалюзи при разных углах раскрыва Таблица 4.5.7.

 

По графику (рис.4.5.21) уточняют коэффициент теплоотдачи

 

 

 

Рис.4.5.21. Зависимость коэффициента теплопередачи от количества протекающего воздуха и массы заполняющего блок воздуха.

Масса воздуха, заполняющего блок, при температуре 20 °С равна

(4.5.44)

Где внутренний объем блока;

К₃ — коэффициент заполнения блока (К₃ = )

_в = 1,2 кг/м³ — плотность воздуха при температуре 20 °С.

По уточненному значению повторяют расчет во втором приближении, при этом принимают температуру зоны t₃, температуру кожуха t_к, мощности Р_зл (полу­чена по п. 4) и Р_к (получена из графика на рис. 3 при перегреве кожуха на ) остав­ляют неизменными.

В результате расчета во втором приближении находят температуры и . Затем находят величину отношения и по графику (рис. 4.5.21) уточняют значение .

13. Мощность, рассеиваемая блоком, во втором приближении равна

(4.5.45)

где с_р = 1,01*10³ Дж/(кгК) — удельная теплоемкость воздуха при температуре 20 °С.

 

14. Температура во втором приближении рассчитывается по формуле:

(4.5.46)

15. Если величина разности температур t_к и составляет более 5 %, то проводят расчет в третьем приближении:

(4.5.47)

Для найденной температуры по графику (рис. 4.5.19) находят мощность, рассеиваемую кожухом блока, в третьем приближении

16.Находят значение функции температур по формуле (4.5.21) и опреде­ляют . Далее уточняют величину D^ш с учетом здесь Р_к^ш получена из гра­фика при температуре . Рассчитывают и находят .

Исходя из полученных данных, по графику (рис. 4.5.21) находят . Мощ­ность, рассеиваемая блоком, в третьем приближении равна

(4.5.48) 18.Температура кожуха в третьем приближении определяется выражением

(4.5.49)

19. Окончательные значения температуры кожуха t_к и рассеиваемой мощности Р в блоке находятся из соотношений:

(4.5.50)

 

Полученные в результате расчета мощность Р и соответствующая ей температура t_к наносятся на график рис. 4.5.19. По двум точкам строят характеристику = f(Р)

(начало координат и t_к). Зная фактическую мощность, рассеиваемую в блоке, по этим двум характеристикам окончательно находят температуры перегрева зоны и кожуха. В случае, если они оказываются больше допустимых, необходимо увеличить площадь перфорационных отверстий либо перейти на принудительное охлаждение (вентиля­цию) блока.

Температура элементов блока с принудительным охлаждением

В блоках аппаратуры, построенных по кассетному принципу, удельная мощность тепловыделения оказывается весьма большой, что заставляет разработчиков исполь­зовать воздушное принудительное охлаждение (рис. 4.5.22). Воздух под напором вентилятора нагнетается в блок через входное отверстие, омывает тепловыделяющие элементы и через выходное отверстие выбрасывается наружу. Предполагается, что те­пловыделение всех ИМС одинаково. Микросхемы располагаются на печатных платах, входящих в кассеты. Кассеты расположены вдоль воздушного потока, и расстояние между ними — не менее 3 мм. Для обеспечения равенства сечений воздушных каналов в блоке имеются выравнивающие заслонки [29].

Исходные данные

Р_э — мощность, выделяемая всеми элементами блока, Вт (потребляемая мощность блока или выбирается из анализа схемы электрической принципиальной); N_п — число печатных плат (кассет) в блоке; L_уиL_г — внутренние размеры кожуха по координатам У и Z; h_П — толщина печатной платы; 1_y — ширина печатной платы; l_эу и l_эг — размеры элемента (ИМС).

Рис. 4.5.22. Схема блока кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением: 1 — входное; 2 — выходное отверстия

 

Последовательность расчета

1. Задаются объемным расходом воздуха G (берется из справочных данных на при­меняемые типы вентиляторов).

2. Площадь среднего поперечного сечения воздушного канала на расстоянии х от входного отверстия определяется по формуле

(4.5.51)

3. Число Рейнольдса равно

(4.5.52)

 

 

где l’ — определяющий размер микросхемы в направлении воздушного потока;

— кинематическая вязкость воздуха.

4. Коэффициент теплоотдачи i-й микросхемы рассчитывается по формуле:

(4.5.53)

Перегрев воздуха _вэ, протекающего вблизи микросхемы, расположенной на рас­стоянии х от начала платы

(4.5.54)

 

 

где Р_эi — мощность тепловыделения i-го элемента, расположенного до сечения х;

р — плотность воздуха;

G — объемный расход воздуха.

6. Перегрев воздуха за счет тепловыделения одного дискретного элемента

(4.5.55)

где S_Э — площадь поверхности элемента, омываемая воздушным потоком. Температура поверхности корпуса элемента равна

(4.5.56)

где t₀ — температура воздушного потока на входе блока.

7. Средний перегрев воздуха на выходе блока определяется по формуле:

(4.5.57)

 

Приведенный расчет справедлив для одиночного блока. Если в набегающем воз­душном потоке располагается вентилятор, то к суммарной мощности тепловыделения микросхем необходимо добавить мощность тепловыделения вентилятора.