Математически модели на ERI охладителни радиатори

За системата за въздушно охлаждане на радиоелектронни устройства и полупроводникови силови устройства широко се използват радиатори, които се различават по вида на развитата повърхност, а именно: ламеларни Фиг. 2а, оребрени Фиг. 2b, иглени щифтове Фиг. 2c, тип "раци" Фиг. 2d, жалузийни Фиг. 2e, петлеви Фиг. 2e.

На фиг. 2 са показани геометричните параметри, които значително влияят върху топлинния поток, разсейван от радиатора: размери на основата L1, L2 (правоъгълна основа), диаметър D (кръгла основа), дебелина Q на основата; височина h1 (или h2), дебелина на 1 ребро или щифт и стъпка Ssh между тях. За радиаторите с кръгов проводник характерните геометрични параметри са височината h2 на намотката, диаметърът d на проводника, стъпката на намотката S2, стъпката на полагане S1 и коефициентът на запълване на канала, равен на съотношението на площта на напречното сечение на спиралите към площта на сечението на канала. Стойностите на тези параметри за промишлено произведени радиатори могат да бъдат намерени в нормативната документация.

Изследванията на топлопредаването на радиатори от различни видове позволиха да се изгради приблизителна зависимост на средното прегряване s = ts-tc на основа с площ А от специфичното топлинно натоварване q = F / A при свободна и принудителна вентилация. За характеризиране на свойствата на топлопреминаване на радиатора се използват следните параметри: ефективен коефициент на топлопреминаване aef, топлопроводимост, термично съпротивление R. Тези параметри са свързани със средните прегрявания s на основата и разсейвания поток Ф по зависимости.

aefA= =R -1 , (1)

F \u003d s \u003d R -1 s \u003d aeff sA.

Формула (1) е валидна за радиатор от всеки от видовете, разгледани по-горе; цялата сложност на процесите на топлообмен и конструктивните характеристики са концентрирани тук в една стойност - ефективният коефициент на топлопреминаване.Последното може да се определи експериментално или чрез изчисление. В първия случай зависимостта (1) се взема като основа, което позволява да се определи aeff от стойностите на Ф и s, намерени от експеримента. С помощта на тези графики е възможно да се избере радиатор, чиято средна базова температура не надвишава зададената стойност ts= s + tс.

Фиг. 2.6 схематично показва радиатор 1 с устройство 2, фиксирано върху него, вътре в което има източници на енергия Ф, загряващи работната зона на устройството (например областта на p-n прехода на транзистора) и неговия корпус до температури tp и tk, на мястото, където устройството е прикрепено към радиатора, температурата е ti, а средната температура на основата на радиатора е ts.

Ето първоначалната информация, която трябва да се знае при проектирането или избора на радиатор: максималната допустима температура на работната зона на устройството (tp) dop или неговия корпус (tc) dop; мощност, разсейвана от устройството Ф ; температура tc на околната среда или свободния поток; вътрешно топлинно съпротивление Rin на устройството между работната зона и корпуса; метод за фиксиране на устройството към радиатора, който се характеризира с термично съпротивление Rk на контакта.

Фиг.2.5. Радиатори за въздушно охлаждане.

Избор на радиатор

Фиг.2.6. Температурно поле на радиатора (1) и устройството (2).

Проектираният радиатор трябва да отговаря на някои допълнителни изисквания: да има малка маса и размери, да изпълнява функциите си с най-малък въздушен поток, ако е необходимо принудително охлаждане и др.

Фигура 2.6 показва диаграма на връзката на топлинните съпротивления между работната зона и околната среда, от която следва:

Структурата на термичния модел на системата електронен елемент-радиатор-охладител-околна среда е показана на фигура 2.7.

Ориз. 2.7. Елементи на топлинния модел.

Ориз. 2.8. топлинен модел.

Предназначението на елементите на топлинния модел, показан на фиг. 2.7. и фиг.2.8:

0-база (нулев възел); 1- възел, симулиращ температурата на електронния елемент; 2-възел, симулиращ температурата на околната среда (въздух); P - източник на топлинна енергия; T е източникът на постоянна температура на околната среда; R52-1 термично съпротивление на конвективния клон радиатор-среда.

Варианти на задачи за лабораторна работа

Вариант (според списъка на групите)	Размери на електронния елемент (mm)	Мощност, разсейвана от електронен елемент (W)	Допустима температура на електронния елемент	Температура на околната среда
50*50
50*45
50*40
45*45
45*40
50*50
50*45
50*40
45*45
45*40
50*50
50*45
50*40
45*45
45*40
50*50
50*45
50*40

35*45

35*30

35*35

40*35

40*40

45*40

45*45

50*45

50*50

За групата BIV-135 радиаторът е ламелен алуминий, за групата BIV-136 радиаторът е щифтов материал, сплав AMg-6. Коефициентът на специфична топлопроводимост на алуминия е 237 W / (m * K), сплав AMg-6 - 122 W / (m * K).

Работна поръчка

-стартирайте програмата Asonika-P;

- конфигуриране на директории (точка от менюто “Настройки”), като посочите пътищата към работната директория (c:\Program Files\Asonika-P\Sample) и към директорията на базата данни (c:\Program Files\Asonika-P\Bd\);

- изберете термичния тип изчисление и отворете нов файл за генериране на модел на топлопредаване (“file-new-heat”);

- с помощта на бутона „добавяне“ (надписът се маркира, когато курсорът се приближи до него, а бутонът има изображение, изобразяващо резистор със знак + над него) въведете графични изображения на елементите на термичния модел един по един:

- използвайки елемента от подменюто „Възел“, подредете възлите на модела на екрана (като ги плъзнете с мишката) в съответствие с подготвената скица на модела на топлообмен, като ги номерирате последователно, започвайки от едно, докато възлите с еднакъв номер могат да бъдат дублирани на различни места на модела за по-лесно свързване;

- използвайки елемента от подменюто „Нулев възел“, поставете на екрана основните (общи) възли на модела, които имат номер „0“;

- с помощта на елемента от менюто "добави" - "принудителна конвекция" - "издухване на развита оребрена повърхност (ламелно оребряване или оребряване с игла и щифт, в зависимост от задачата)" въведете проектните параметри на конвективния клон на топлообмена на радиатора с околния въздух, като изберете технически алуминий като материал на радиатора, налягане на въздуха 760 mmHg; номерирайте полученото разклонение и свържете възела, симулиращ източника на захранване, и възела, симулиращ температурата на околния въздух (източник с постоянна температура), като използвате бутона „Свързване“ (има рисунка с жълт молив) и хванете края на свързаната линия на един елемент с мишката, без да пускате левия бутон на мишката, плъзнете го до кръстовището с линията на друг елемент, следзащо щракнете върху левия бутон на мишката, за да прекратите връзката; елементите на модела могат да се завъртат за по-лесно свързване с помощта на елемента от менюто "Heat"-"rotate" (Препоръчително е да изберете параметри на радиатора в следните граници: височина на перката или щифта 20…40 mm, дебелина на перката или диаметър на щифта 2…3 mm, разстояние между перките или щифтовете 8…10 mm, дължина не повече от 60 mm, скорост на въздуха не повече от 2 m/s);

- като използвате елемента от менюто „добавяне“ - „източници на захранване“ - „източник на постоянна мощност“ въведете в модела източник на топлинна мощност в моделния възел и ги свържете между този възел и нулевия възел;

- с помощта на елемента от менюто "добавяне" - "източници на температура" - "източник на постоянна температура" въведете в модела източника на температурата на околната среда (въздуха), като зададете нейната температура и я свържете между възела, който симулира температурата на околната среда, и нулевия възел.

Това завършва формирането на модела. За да изтриете връзка или моделен елемент, изберете го с мишката и щракнете върху бутона „Изтриване“ (има шаблон под формата на пресичащи се червени линии). За да промените параметрите на моделен елемент, изберете го с мишката и променете необходимия параметър, като използвате менюто „топлина“ – „параметри на елемента“. Полученият модел трябва да се запише във файл с избраното име и разширение .shh в папка “Sample”.

Изчислете стационарния топлинен режим („топлина“ - „изчисление“ - „стационарно изчисление“ или бутона с триъгълник на главния панел). Анализирайте резултатите от изчислението и, ако температурата на транзистора надвишава допустимата стойност, увеличете площта на радиаторните перки, определени от броя и геометричните размери на радиаторните перки или щифтове. В този случай можете също да увеличите скоростта на въздушния поток, обдухващ радиатора(ако размерите на радиатора са повече от два пъти по-големи от размерите на електронния елемент). Ако температурата на транзистора е значително по-ниска от допустимата стойност, тогава е необходимо да се намали площта на ребрата на радиатора, като температурата на транзистора се доближи до максимално допустимата стойност. След като промените параметрите на радиатора, повторете изчислението. Извършете горните действия, докато изчислената температура на транзистора се различава с по-малко от един градус от максимално допустимата.

Изисквания за отчет

Докладът за работата трябва да съдържа:

- кратко описание на софтуера (топлообмен във ВЕИ);

- описание на обекта на проектиране;

---