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)

Эскиз схемы субблока

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

Среднеповерхностная температура пакета плат: 77,02°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.

Лабораторная работа №2 Цель работы Закрепление знаний, полученных при изучении теоретических основ проектирования средств обеспечения тепловых режимов

Больше работ по теме: