теория. Эс как технические изделия характеризуются большим количеством внутренних и внешних характеристик (параметров)
 Скачать 3.64 Mb.
|
|
Защита ЭС от механических воздействий Механические воздействия представляют серьезную опасность, главным образом, для транспортируемых ЭС. По степени стойкости к механическим воздействиям ЭС подразделяют на вибро- и (или) ударопрочные и вибро- и (или) ударостойкие. В первом случае ЭС должны выдерживать механические воздействия (в заданном диапазоне частот и ускорений) в неработающем (выключенном) состоянии, а после включения – нормально работать. Во втором случае ЭС должны исправно функционировать при тех или иных заданных механических воздействиях. Считается, что из всех видов механических воздействий вибрации чаще других являются причиной отказов транспортируемых ЭС. Поэтому для таких ЭС проводят анализ устойчивости конструкции к действию вибрационных нагрузок, характеристики которых указаны в ТЗ. В основе такого анализа лежит представление конструкции ЭС в виде колебательной системы. Сущность такого подхода рассмотрим на примере воздействия вибраций на плату, закрепленную с двух сторон (рис. 5.1). Рис. 5.1. Колебания платы под воздействием вибраций Под действием распределенной массы m точка О отклонится от горизонтали на величину Z СТ = mg/k , где k– жесткость платы. Если кратковременно воздействовать на точку О (например, опустить ее вниз), то под действием инерционных и упругих сил возникнет колебательное движение, совершаемое без воздействия внешних сил. Такие колебания называются свободными (собственными) и характеризуются частотой (без учета демпфирования): 0 = m k Вследствие демпфирования (т.е. поглощения механических колебаний за счет трения волокон в материале платы) колебания будут затухающими. Эквивалентная схема колебательной системы, состоящая из инерционного элемента массой m, спиральной пружины жесткостью k и демпфера с коэффициентом демпфирования r, приведена на рис. 5.2. Для простоты будем считать, что вибрации воздействуют на плату от внешнего источника через узлы крепления в направлении оси Z . Амплитуду внешних воздействий обозначим как А В , а частоту - В В системе с одной степенью свободы внешней силе F(t) в каждый момент времени будут противодействовать силы инерции массы F m , жесткости F k и демпфирования F r : F(t) = F m + F r + F k , (5.1) F m = m 2 2 dt z d , F r = r dt dz , F k = k z. Внешнюю силу обычно представляют как F(t) = F 0 sin В t. В установившемся режиме под воздействием внешней гармонической силы все точки конструкции совершают в направлении оси Z вынужденные колебания с частотой внешних воздействий – В Для определения амплитуды точки О (А 0 ) при вынужденных колебаниях необходимо решить уравнение (5.1). На рис. 5.3 приведены примерные решения уравнения (5.1) в виде графиков, показывающих зависимость отношения амплитуд А 0 /А В и отношения частот В / 0 при различных значениях коэффициента относительного затухания D, определяемого как D = mk r 2 Из графиков следует, что при В ≈ 0 амплитуда А 0 может во много раз превышать А В . Это явление называют механическим резонансом. Чрезмерное возрастание амплитуды А о может привести к отрыву навесных компонентов, соударению соседних плат и другим дефектам. Как следует из графиков, уменьшить амплитуду А о можно Рис. 5.2. Схема простой колебательной системы с одной степенью свободы следующими путями: - уменьшить 0 ; - уменьшить A В ; - увеличить 0 ; - увеличить D. Первый путь обычно малоприемлем, так как ведет к снижению жесткости платы, а остальные три широко используются. Если между источником вибраций и ЭС установить виброизоляторы (прежнее название – амортизаторы), то можно аналогичные графики построить для определения амплитуды опорных точек N (при условии жесткости корпуса). Из графиков следует, что если выбрать виброизоляторы с собственной частотой, много меньшей В , то амплитуда колебаний точки N будет меньше А В . Применяемые схемы установки ЭС на виброизоляторы показаны на рис. 5.4. Рис. 5.4. Схемы установки ЭС на виброизоляторы Увеличение 0 добиваются повышением жесткости конструкций (изменением материала, увеличением толщины, введением ребер жесткости и т.д.). Рис. 5.3. Графики зависимости отношений А 0 /А В и В / 0 при различных значениях D: D = 0 (1); D = 0,01 (2); D = 0,1 (3); D = 0,5 (4) Методы, направленные на преимущественное увеличение показа- теля D (без существенного изменения жесткости), называют демпфиро- ванием. Примеры демпфирования приведены на рис. 5.5 и 5.6. В качестве демпфирующих материалов обычно используют полимеры, способные рассеивать большое количество энергии при растяжении, изгибе или сдвиге за счет упругих свойств. Каждый из рассмотренных способов имеет свои относительные достоинства и недостатки. Так, например, виброизоляторы обычно Рис. 5.5. Заливка вибропоглощающим пенополиуретаном: 1,2 – ЭРЭ; 3 – пенополиуретан; 4 – плата Рис. 5.6. Демпфирование плат: 1 – конструкционный материал; 2 – вибропоглощающий материал имеют одну степень свободы, их применение может отрицательно сказываться на массогабаритных характеристиках, заливка - ухудшает теплоотвод от залитых элементов, усложняет ремонт, свойства многих полимеров зависят от температуры, радиации и т.д. В общем случае колебательная система обладает не одной (как было рассмотрено), а шестью степенями свободы (три для линейных перемещений и три – для угловых). Тогда уравнение (5.1) примет вид: M(t) = M m + M r + M k , где M m – матрица коэффициентов инерции (масс); M r - матрица коэффициентов демпфирования; M k - матрица сил упругости; M(t) - n- мерный вектор-столбец обобщенных возмущающих сил. Для защиты от ударных воздействий могут также применяться амортизаторы. Но, в отличие от вибрационных нагрузок, в этом случае преимущественно применяют высокочастотные амортизаторы. Основной способ защиты от ударов, как и от линейных ускорений – повышение прочности конструкции. Лекция 6 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РЭА В процессе эксплуатации элементы ЭС могут подвергаться воздействию температур неоптимальных для их функционирования. Наиболее критичны к колебаниям температуры ФЭ, для большинства которых оптимальной считается температура +20….+25 0 C . Предельно допустимые температурные границы для каждого ФЭ приводятся в соответствующих ТУ (например: +1…+50 0 C; - 10…+70 0 C; - 60…+70 0 C и т.д.). При этом следует учитывать, что изменение температуры относительно оптимальной на каждые 10 0 C в любую сторону уменьшает срок службы ФЭ приблизительно в 2 раза. Диапазоны изменения температуры внутри объектов, где эксплуатируются ЭС, могут быть: в отапливаемых помещениях +5… +50 0 C ; на наземных подвижных объектах –60…+60 0 C ; на самолетах –70…+150 0 C . Тепловой режим ЭС характеризуется совокупностью температур отдельных его точек (рис. 6.1). В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным. Стационарный режим обусловлен термодинамическим равновесием между источниками и поглотителями тепловой энергии. При различии температуры элемента и окружающей среды между ними происходит теплообмен. Передача тепла осуществляется за счет взаимодействия частиц (атомов, молекул и т.д.) или за счет излучения электромагнитных волн. Теплообмен между твердыми телами называют теплопроводностью (или кондукцией), а между твердым телом и жидкой (или газообразной) фазой – конвекцией (т.е. с механическим перемещением нагретых частиц). Для поддержания оптимальных температур теплового режима ЭС используются системы обеспечения теплового режима (СОТР), каждая из которых характеризуется особенностями структуры, интенсивностью теплоотвода, техническими показателями (массой, габаритами, Рис. 6.1. Температурное поле ЭС потребляемой мощностью, стоимостью, надежностью и т. д.). СОТР различают: По принципу действия - отвод тепла, подвод тепла и термостатирование (поддержание температуры в узком диапазоне пассивными или активными методами). По способу передачи тепла (теплообмена) – кондукцией, конвекцией (газом или жидкостью) и излучением. По способу поглощения тепла – при фазовых переходах (испарение жидкости, плавление твердого тела), термоэлектрический эффект, используя термоаккумулирующие свойства несущих конструкций и окружающей среды. По типу теплоносителя – твердое тело, жидкость, газ, вакуум. По степени использования теплоносителя – замкнутая система, разомкнутаясистема. По количеству объектов – локального (т.е. обеспечивается благоприятный температурный режим отдельных элементов или частей ЭС) и общего действия. По оценкам специалистов, в ЭС до 90% подводимой мощности выделяется в виде тепла. Поэтому чаще всего конструктору ЭС приходится решать задачу отвода тепла. Напряженность теплового режима ЭС обычно выражают в виде теплового потока с единицы площади (P, например, 5 Вт/см 2 ). В зависимости от этой величины выбирается тот или иной способ отвода тепла. Передача тепла для всех видов теплообмена в статическом режиме выражается общей зависимостью P = k S Δt, (6.1) где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · 0 C); S – площадь, через которую проходит тепловой поток, м 2 ; Δt – разность температур между охлаждаемым элементом и окружающей средой, 0 C. Теплоотвод кондукцией При расчете кондуктивного теплообмена (теплопроводности) часто пользуются методом электротепловой аналогии, т.к. процессы передачи тепла и тока физически аналогичны. Тепловой поток (P т ) принимается за аналог тока (I), разность температур (Δt) между охлаждаемым элементом и окружающей средой аналогична разности потенциалов ΔU между соответствующими точками, а тепловое сопротивление ( т R ) – сопротивлению электрической цепи (R). В этом случае выражение (6.1) представляют в виде P т = т k S Δt (где т k - тепловая проводимость, Вт/(м 2 · 0 C )). Выражая т k = a m / L и R m = L / (a m S), где a m – коэффициент теплопроводности материала (табл. 6.1), Вт/(м · 0 C ), а L – длина пути передачи теплоты, м, получим P т = m R t (аналогия – I = R U ). В результате тепловой расчет сводится к расчету электрической цепи по законам Кирхгофа. В качестве примера рассмотрим пластину Таблица 6.1 Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов Материал a m , Вт/(м · 0 C) Материал a m , Вт/(м · 0 C) Воздух 0,023 Кремний 83...105 Стеклотекстолит 0, 34 Сталь 45...92 Фарфор 0,83 Алюминиевые сплавы 160...180 Керамика 22ХС 10...25 Поликор 25...42 Золото 293...297 Бериллиевая керамика 60...200 Медь 259...400 Серебро 416...425 с тепловыделяющими элементами, которые создают тепловые потоки P т1 , P т2 , P т3 и P т4 (рис. 6.2). Тепловая (электрическая) модель пластины приведена на рис. 6.3. Для перехода от тепловой модели к Рис. 6.2. Пластина с тепловыделяющими элементами Рис .6.3. Тепловая (электрическая) модель электрической заменяем: показатели температуры (T 1 , T 2 ,T 3 , T 4 ) электрическими потенциалами (U 1 , U 2 , U 3 , U 4 ), тепловые сопротивления (R m1 , R m2 , R m3 , R m4 , R m5 , R m6 ) – омическими (R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 ), а тепловые потоки (P т1 , P т2 , P т3 , P т4 ) – токами (I 1 , I 2 , I 3 , I 4 ). Температуру окружающей среды (и соответствующий потенциал) обозначим T ос (и U ос ). Далее для каждого из узлов составляется система уравнений Кирхгофа, из решения которых находятся неизвестные величины. Примеры теплоотвода кондукцией показаны на рис. 6.4. Рис. 6.4. Охлаждение ИС с использованием теплоотводящих шин: а – ячейка с шинами-теплостоками и торцевой накладкой; б – ячейка со сплошным теплоотводом и периферийным радиатором; 1 – элементы теплоотвода; 2 – ИС; 3 – ПП; 4 – окна в теплоотводящей шине; 5 - разъем Теплоотводящие шины соединяют с несущими конструкциями блоков, стоек и т.д. Теплоотвод конвекцией Перенос теплоты конвекцией связан с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом (элементом конструкции). Тепловая энергия передается при конвекции как между твердым телом и средой, так и в самой среде. Конвекция называется естественной, если она осуществляется при свободном движении среды за счет разности плотностей холодной и горячей ее областей, и принудительной, если движение среды происходит за счет внешних сил (вентилятора, насоса) (рис. 6.5). В невесомости естественная конвекция отсутствует. Конвекционный теплообмен может быть усилен поглощением теплоты при испарении (парообразовании). Выражение (6.1) для определения теплового потока при конвекции (P к ) имеет вид P к = k к S Δt, где k к – коэффициент теплоотдачи конвекцией от ФЭ в окружающую среду, Вт/(м 2 · 0 C ). Значения k к сложным образом зависят от многих Рис. 6.5. Естественное (а) и принудительное (б) воздушное охлаждение ЭС факторов: формы поверхности, ее ориентации, скорости движения среды, ее вязкости, плотности, характера движения (ламинарное или турбулентное) и т.д. Примерные значения k к для некоторых видов конвективного охлаждения приведены в табл. 6.2. Таблица 3.2 Значения коэффициентов теплопередачи k к , Вт/(м 2 · 0 C) Охлаждающая среда, процесс Движение среды свободное вынужденное Газ Вязкая жидкость (масла) Вода Кипящая вода Конденсация капель водяного пара Конденсация паров органических жидкостей 2...10 200...300 200...600 500...40000 1000...100000 200...2000 10...100 300...1000 1000...3000 500...40000 1000...100000 200...2000 Системы воздушного конвективного теплообмена (естественного или принудительного) используются в большинстве наземных. Эффективность естественного воздушного охлаждения повышается с использованием теплообменников с развитой поверхностью, называемых радиаторами (рис. 6.6). Для принудительного воздушного охлаждения обычно используют малогабаритные осевые вентиляторы (одиночные или объединяемые в блоки). Применение воздушного охлаждения в бортовых ЭС ограничено понижением плотности воздуха с ростом высоты и значительными габаритами радиаторов и вентиляторов. Поэтому для бортовых ЭС чаще используют жидкостные замкнутые СОТР (рис. 6.7). В качестве жидких теплоносителей в них используют воду, аммиак, спирты, этиленгликоль и др. Эти же жидкости обычно применяют и в испарительно-конденсационных СОТР. Рис. 6.6. Радиаторы воздушного охлаждения: а – пластинчатый; б – игольчатый Рис. 6.7. Система жидкостного охлаждения оснований двух блоков: 1 – охлаждаемые основания; 2 – система трубопроводов; 3 – воздушно- жидкостный радиатор с вентилятором; 4 – бак-накопитель жидкости; 5 - насос Одними из наиболее эффективных испарительно-конденсацион- ных систем являются теплоотводящие устройства, называемые тепло- выми трубами и работающие по принципу замкнутого испарительно- конденсационного цикла, основанного на испарении жидкости в зоне подвода теплоты, передаче теплоты с потоком пара, конденсации пара в зоне отвода теплоты и возвращении жидкости в зону подвода теплоты за счет капиллярных или гравитационных сил. Тепловая труба (рис. 6.8) представляет замкнутую вакуумированную камеру, внутренняя поверхность которой облицована капиллярной структурой (фитилем), заполненной конденсатом рабочей жидкости. В качестве фитиля могут использоваться ткани, керамика или тканная стальная сетка. Рис. 6.8. Тепловая трубка: 1 – корпус трубки; 2 – капиллярно-пористый материал; 3 – паровой канал; 4 – площадка для охлаждаемого узла; 5 – радиатор охлаждения Коэффициент теплопроводности тепловых труб на 1-2 порядка превышает теплопроводность меди. |