Анализ теплового режима блока
Лабораторная работа №2
Цель работы
Закрепление знаний, полученных при
изучении теоретических основ проектирования средств обеспечения тепловых
режимов конструкции ЭВМ, и приобретение навыков постановки и решения двух из
семи основных теплофизических задач, возникающих при проектировании.
Выполнение
Описание конструкции: блок специализированной
ЭВМ реализован в герметичном литом неоребренном корпусе из алюминиевого сплава.
Корпус покрашен черным муаром. В блок входят
четыре субблока бескаркасной конструкции, без теплоотводящих шин. Субблоки
ориентированы вертикально и вставляются во фрезерованные направляющие.
Проектное задание: выполнить анализ теплового
режима блока, считая температуру корпуса микросхемы равной температуре нагретой
зоны, проверить, обеспечивается ли нормальный тепловой режим. В
случае необходимости доработать конструкцию блока и/или субблока с целью
улучшения передачи тепловой энергии излучением в окружающую среду и/или
кондукцией от основания микросхемы к корпусу блока. Подбирая характеристики
покрытий и конструкционных материалов, а также размеры деталей, добиться, чтобы
обеспечивался нормальный тепловой режим работы микросхем.
Обоснование выбора задач.
Решаемые задачи: в данной лабораторной работе
необходимо решить две задачи:
Задача №7 - расчет температуры корпуса и пакета
плат одноблочной ЭВМ
Данную задачу необходимо решить,
поскольку это требуется по условию проектного задания (требуется выполнить
анализ теплового режима блока, то есть определения перегрева корпуса, пакета
плат и их среднеповерхностной температуры).
Задача №3 - определение теплового
сопротивления при передаче теплоты кондукцией.
Данную задачу необходимо решить,
поскольку блок герметично закрыт. Для определения теплового режима необходимо
расчитать среднеповерхностною температуру корпуса и пакета плат одноблочной ЭВМ
в герметичном исполнении, т.е. решить задачу 7. Для решения этой задачи
потребуется найти тепловое сопротивление теплопроводности зона - корпус Рзкт.
Рзкт может быть расчитанно после составления компоновочной схемы субблока в
результате решения задачи 3, в которой определяется Рц - тепловое сопротивление
от МС, расположенной в середине горизонтального ряда к корпусу блока.
Для задачи №7
Область применения
Одноблочные ЭВМ в герметичном неоребренном
корпусе с вертикально ориентированными субблоками бескаркасной конструкции. Охлаждение
естественное, среда внутри корпуса - воздух.
Тепловая модель
Ограничения и допущения
Корпус и нагретая зона (пакет плат)
являются изотермическими поверхностями
Давление внутри корпуса больше 133
кПа
Есть гравитация
Эффективная ширина Bэф каналов между
субблоками больше 2-3 мм (возможен теплообмен за счет естественной конвекции)
Платы субблоков имеют одинаковые
размеры, причем Sэф,Bэф<<Lx,Ly,Lz
Ширина зазора между крайними платами
и корпусом > Bэф
Теплота от субблоков передается к воздуху внутри
корпуса естественной конвекцией в каналах (тепловое сопротивление Rзвк),
от плат к корпусу - излучением (Rзкл)
и теплопроводностью (Rзкт),
от воздуха внутри корпуса к корпусу - естественной конвекцией (Rвк),
от корпуса в окружающую среду - естественной конвекцией и излучением (тепловые
сопротивления Rкск и Rксл
соответственно).
Ограничения на исходные данные
Длина корпуса ЭВМ L1: 20 ... 1000 мм
Ширина корпуса ЭВМ L2: 50 ... 800 мм
Высота корпуса ЭВМ L3: 50 ... 800 мм
Число плат в пакете: 2 ... 100
Толщина платы S: 0.5 ... 4 мм
Расстояние между платами B: 4 ... 50
мм
Мощность, рассеиваемая пакетом плат:
(0.005 ... 300)*(число плат в пакете)
Давление внутри корпуса: 133 КПа ...
200 Кпа
Температура окружающей среды: -50
... 60 °С
Точность приближения перегревов:
0.001 ... 5
Предполагаемое соотношение
перегревов (зона-воздух)/(воздух-корпус)=a1/a2, причем a1+a2=1
(a1: 0.1 ... 0.95)
(a2: 0.9 ... 0.05)
Число микросхем в канале: 1 ... 500
для одного канала
Длина корпуса микросхемы: 2 ... 60
мм
Ширина корпуса микросхемы: 2 ... 30
мм
Высота корпуса микросхемы: 0.1 ...
50 мм
Для задачи №3
Область применения
Блоки (одноблочные ЭВМ) с вертикально или
горизонтально ориентированными субблоками. Субблоки
могут быть каркасной или бескаркасной конструкции, с теплопроводящими шинами
или без них.
В конструкции с теплопроводящими
шинами считается, что зазор между микросхемой и шиной заполнен теплопроводящей
смазкой, в субблоках без теплопроводящих шин микросхемы посажены на лак.
Направляющие блоки могут быть заполнены или не заполнены теплопроводящей
смазкой.
Данная задача может решаться для
одного из трех вариантов конструкции:
. Субблок с теплопроводящими шинами
и с каркасом.
. Субблок без теплопроводящих шин,
но с каркасом.
3. Субблок без теплопроводящих шин и без
каркаса.
Ограничения на исходные данные
Расстояние от правого края микросхемы до каркаса
L1 : 1 .. 460
мм
Расстояние от левого края микросхемы до каркаса L2
: 1 .. 460 мм
+L2=50 .. 500 мм
Длина платы Lk : 50 .. 500 мм
Толщина каркаса Hк: 1 .. 5 мм
Толщина стенки каркаса Bк: 0.2 .. 2
мм
Ширина каркаса Dк: 1 .. 12 мм
Ширина теплопроводящей шины Bш: 2 ..
40 мм
Толщина теплопроводящей шины Нш: 0.1
.. 2 мм
Зазор между микросхемой и
теплопроводящей шиной Нз: 0.01 .. 1 мм
Длина корпуса микросхемы Lm:
2.. 60 мм
Ширина корпуса микросхемы Bm
:2 .. 30 мм
Высота направляющей субблока Dm :
1.. 10 мм
Зазор между каркасом субблока и направляющей
блока Lз: 0.01 .. 1
мм
Коэффициент теплопроводности материала теплопроводящей
шины: 40 .. 400 Вт/(м*К)
Коэффициент теплопроводности
материала субблока: 40 .. 400 Вт/(м*К)
Коэффициент теплопередачи контактной
пары шина-каркас субблока: 500 .. 60000 Вт/(м*К)
Коэффициент теплопередачи контактной субблок -
каркас субблока: 2000 .. 20000 Вт/(м*К)
Коэффициент теплопроводности
теплопроводящей смазки в зазоре между основанием микросхемы и теплопроводящей
шиной: 0.5 .. 50 Вт/(м*К)
Схема субблока без каркаса и теплоотводящих шин
1-Микросхема
2-Зазор
-Направляющая субблока
-Плата
При составлении схемы соединения
тепловых сопротивлений считаем, что тепловая энергия от микросхемы передается
через тепловые сопротивления:к1 контакта между основанием
корпуса микросхемы и печатной платой
Rп1 и Rп2
печатной платы до ее каждого края
Rк2 контакта
печатная плата - корпус (направляющая) блока.
С учетом симметричности схема соединения
тепловых сопротивлений имеет вид:
Схема субблока с каркасом и теплоотводящими
шинами
рис.2 Схема субблока с каркасом и
теплоотводящими шинами.
хема тепловых
сопротивлений:
-Микросхема
-Зазор
-Шина
-Плата
-Каркас
-Направляющая субблока
При составлении схемы соединения
тепловых сопротивлений сделано предположение, что в данной конструкции
кондукцией по печатной плате можно пренебречь. Считаем, что тепловая энергия от
микросхемы передается через тепловые сопротивления:
Rз зазор между
основанием корпуса микросхемы и теплопроводящей шиной
Rш1 и Rш2
тепловой шины до каждого края платы
Rк1 контакта шина -
каркас субблока
Rст стенки каркаса
субблока
Rк2 контакта или
зазора каркас субблока - корпус ( направляющая ) блока.
Выбор компоновочной схемы:
Исходные данные:
Длина корпуса блока L1 = 110 мм,
Ширина корпуса блока L2 = 250 мм,
Высота корпуса блока L3 = 250 мм,
Длина пакета плат Lx = 66 мм,
Ширина пакета плат Ly = 240 мм,
Высота пакета плат Lz = 220 мм,
Толщина платы субблока S(Нп) = 1.5
мм,
Расстояние между платами B = 20 мм,
Зазор между субблоком и направляющей
LЗ = 0.1 мм,
Зазор между микросхемой и платой Нз
= 0.1 мм,
Длина корпуса микросхемы Lм = 18 мм,
Ширина корпуса микросхемы Вм = 6 мм,
Высота корпуса микросхемы Нм = 3 мм,
Высота направляющей субблока Dн = 3
мм,
Мощность рассеиваемая блоком Ф = 36
Вт,
Мощность рассеиваемая микросхемой Ф
= 90 мВт,
Давление внутри блока - 133 кПа,
Допустимая температура блока Тбд =
60 С,
Допустимая температура микросхем Тд
= 75 С,
Температура окружающей среды Т = 32
С,
Точность приближения перегрева е = 1
С,
Удельная тепловая проводимость
контакта
основание микросхемы - плата
субблока 40 Вт/М2ЧК,
Коэффициент теплопроводности
материала платы субблока 0.33 Вт/МЧК,
Заполнение направляющих блока
теплопроводящей смазкой - Да,
Коэффициент теплопроводности смазки между платой
и направляющей 1 Вт/МЧК,
Способ монтажа микросхем на плате -
односторонний.
Так как мощность рассеиваемая блоком
равна 36 Вт, а мощность рассеиваемая микросхемой - 90 мВт, то, учитывая
количество субблоков - 4, мы получаем, что на плате должно располагаться 100
микросхем. Пусть на горизонтальном и вертикальном ряду будет по 20 ИМС. Тогда
количество микросхем в горизонтальном ряду Nm = 20, количество горизонтальных
рядов микросхем на субблоке N = 5, количество субблоков в блоке M = 4.
=15+10+18*10+9*x
=2,5+2,5+6*10+9*y
Получаем: L1=207,5мм , L2=106,5мм
Для этих размеров:
Тепловое сопротивление при передаче теплоты
кондукцией для микросхемы
Rсм : 719,9671 K/Вт.
Рассчитаем =Rц*2*(Nm*Nm+2*Nm)/3*(Nm+1)*N*M
=502,83 К/Вт
Для муара черного (e=0,89):
Перегрев корпуса: 15,04 °C
Среднеповерхностная температура корпуса: 47,04 °C
Перегрев пакета плат: 29,99 °C
В результате решения задачи №7 удалось добиться
попадания температуры корпуса (47,04 °С) в требуемые рамки (60 °С). Однако
температура пакета плат (77,04 °С) превышает допустимую (75 °С).
Для уменьшения среднеповерхностной температуры
пакета лат в первую очередь увеличим степень черноты поверхности корпуса ЭВМ.
Выберем из таблицы лак черный матовый, имеющий
максимальную степень черноты. Решим задачу №7 с
новым параметром.
Для лака черного (e=0,97):
Перегрев корпуса: 14,37 °C
Среднеповерхностная температура корпуса: 46,37 °C
Перегрев пакета плат: 29,16 °C
Среднеповерхностная температура пакета плат:
75,53 °C
Так как среднеповерхностная температура плат
приблизилась к желаемой (75,54 °C),
но все еще превышает допустимую (75°C)
, необходимо принять меры по отводу теплоты. Для этого используем
теплоотводящие шины и субблок с каркасом, что позволит уменьшить тепловое
сопротивление теплопроводности зона-корпус.
Рассмотрим субблок с теплоотводящими шинами и
каркасом.
Тепловое сопротивление при передаче теплоты
кондукцией для микросхемы
Rсм : 29,5795 K/Вт.
=20,63 К/Вт.
Выводы
В данной работе мы провели анализ теплового
режима блока. Оценили различные способы улучшения
передачи тепловой энергии, такие как: покраска корпуса и доработка конструкции
(введение в конструкцию субблока теплоотводящих шин и каркаса). В результате
этой оценки сделали вывод, что покраска лаком корпуса блока не является
достаточно эффективной для обеспечения нормального теплового режима. Для
решения этой проблемы необходима доработка конструкции субблока, введение
теплоотводящих шин и каркаса.
тепловой блок плата
сопротивление
1.