Бобылкин И С Шуваев

Бобылкин И.С. Шуваев В.А.
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИККОНСТРУКЦИЙ РЭС
Дляповышения эффективности конструкторского проектирования РЭС на основе методов анализа, прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик необходимо уже на ранних стадиях разработки
правильно выбрать систему охлаждения(СО). Которая должна обеспечить требуемый тепловой режим.
Для решения подобной задачи предложена структурно-функциональная модель СО и обеспечения тепловых режимов РЭС в виде графа, котораяотражает возможные пути передачи тепловой энергии от источников тепла в окружающую среду, что представляет возможность решить задачу оптимального распределения тепловых потоков внутри конкретной конструкции РЭС. Данная задача возникает вследствие
того, что в реальных конструкциях современных РЭС существует множество путей, в том числе параллельных, протекания тепловых потоков, в качестве которых выступают как специальные устройства
теплоотвода, или выделенные (используемые) области (например, воздушные каналы между модулями),
так и элементы конструкции (рамки, шасси, корпуса, элементы электрической коммутации, воздушные и
изолирующие прослойки и т.д.). При этом в комплексе во многих случаях действуют все три вида теплопередачи (конвекция, излучение, кондукция) /1-3/. Поэтому появляется задача оптимального использования имеющихся и потенциальных путей передачи тепловых потоков, а также определения максимального количества тепловой энергии, которая может быть отведена в окружающую среду для данной
конструкции, в заданных условиях эксплуатации и требованиях к нормальному тепловому режиму.
Подобная задача может быть сведена к классу сетевых задач, в частности к задаче о максимальном
потоке /4/.
При представлении конструкции РЭС даже наиболее простой моделью «нагретая зона-корпус», граф,
моделирующий систему охлаждения и теплопередачи, имеетвид, показанный на рисунке 1. Здесь вершина
X1 соответствует нагретой зоне, являющейся источником теплового потока Р; X2 –воздушный зазор между НЗ и корпусом; X3- корпус; X4- охлаждающая среда- сток тепла. Индексы дуг соответствуют возможным механизмам теплопередачи: КВ- конвекция, КД- кондукция, ИЛ- излучение.
Рисунок 1 - Графовая модель системы теплопередачи для тепловой модели «нагретая зона- корпус»
В качестве пропускной способности дуги принимаем максимально возможную величину теплового потока (мощности), который может проходить с учетом конкретного механизма теплопередачи, заданных
условий эксплуатации и размерах конструктивных составляющих РЭС:
Рmaxij=σmaxij(Ti-Tj),(1)
σmaxij=αmaxij⋅Sij ,(2)
где σmaxij- максимальное значение тепловой проводимости между i-м и j- м телом (частями конструкции);Ti, Tj- температуры частей;Sij – площадь поверхностей, участвующая в теплообмене между телами i и j ;αmaxij- максимально возможное значение коэффициента теплообмена в заданных условиях
эксплуатации РЭС.
Предельное значение коэффициентов αij обусловлено их зависимостью от температурных условий эксплуатации, связанных с разностью предельно допустимой величины рабочей температуры РЭС, определяемой термостойкостью элементной базы (125-150 °С), и температуры окружающей среды, определяемой
требованиями ТЗ. Так значение коэффициента теплообмена излучением определяется /1,5/
α
л
ij
(
)
(T / 100 )4 − T / 100 4 
j
 i

= 5, 67ε прφij 
, (3)
Ti − T j
где εпр- приведенный коэффициент черноты тел i и j;ϕij- угловой коэффициент излучения.
Коэффициенты теплообмена конвекцией вычисляются /1,2/ в зависимости от ориентации поверхностей
и выполнения условия
Ti-Tj≤(840/L)3,(4)
где Tj- температура среды (воздуха, жидкости);L- определяющий размер /1-3/.
При выполнении условия используется выражение /1,2/
 Ti − T j 

 L 
0,25
α к ij = к 
⋅ A2, (5)
иначе используется другое
α к ij = к (Ti − T j )
1/ 3
⋅ A3,
где к=1; 1,3; 0,7- коэффициент для вертикальной, верхней и нижней поверхностей;А2, А3- коэффициенты, зависящие от теплофизических параметров среды при температуре 0,5(Ti+Tj).
Коэффициент теплообмена кондукцией связан с теплофизическим и геометрическим параметрами механических конструкций РЭС и определяется /2/
αijкд=λк/l,(6)
где λк- коэффициент теплопроводности материала конструкции, служащей проводником теплового потока;l- длина пути теплового потока.
Анализ выражений (1)-(6) показывает, что αij и Рij ограничены по величине вследствие конечной
разности (Ti-Tj), обусловленный требованиями ТЗ, а также массовыми и габаритными ограничениями,
применяемыми материалами (для кондукции).
Тогда задачи определения наибольшей величины теплового потока, передаваемого в окружающую среду с помощью данной СО от конкретной конструкции (что соответствует максимальной тепловой мощности устройств, реализуемых в таком конструктиве), а также выявления наиболее рациональных путей
теплопередачи может быть сформулирована как задача о максимальном потоке /4/. Источником является
нагретая зона, стоком-окружающая среда, условие задачи имеет вид:
Р→max,(7)
−P , i = S

P
−
P
=
∑ ij ∑ ik 0, j ≠ S, j ≠ t , (8)
i
k
P , j = t

0≤Рij≤ Рijmax,(9)
При определенных условиях эксплуатации и параметрах конструкции значения Рijжестко связаны с
αij.
Для решения такой задачи применяется алгоритм расстановки пометок (алгоритм Форда и Фалкерсона) /4/. К этой задаче сводитсяи случай применения более детальных тепловых моделей РЭС и ОС, где
учитываются различные источники тепловыделения (до отдельных компонентов) и стоки тепла, т.е.
когда рассматривается задача в форме задачи о потоке в сети с несколькими источниками и стоками
/4/.
Решение рассмотренной задачи позволяет оптимизировать конструкцию, структуру и параметры СО в
целях повышения эффективности теплоотвода, принять меры по интенсификации теплопередачи по определенным путям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре / Г.Н. Дульнев. М.: Высш.
шк., 1984.247 с.
2. Дульнев Г.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры / Г.Н. Дульнев, Н.Н. Тарновский. Л.:
Энергия, 1977.248 с.
3. Дульнев Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронныхаппаратах / Г.Н. Дульнев, Э.М. Семяшкин. Л.:
Энергия, 1968. 360 с.
4. Кристофидес Н. Теория графов / Н. Кристофидес. М.: Мир, 1978. 432 с.
5. Роткоп Л.Л. Обеспечения теплового режима при конструирование РЭА / Л.Л.Роткоп, Ю.Е. Спокойный. М.: Совр. радио, 1976. 232 с.