Физика. Теплофизика. Курсовой проект по дисциплине Теплофизические процессы в электронных средствах тема Расчет тепловых характеристик блоков эс при различных условиях охлаждения.
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ) Факультет радиотехники и электроники Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине: «Теплофизические процессы в электронных средствах» тема: «Расчет тепловых характеристик блоков ЭС при различных условиях охлаждения.» Вариант №6 Разработал студент бРК-192 В. Ю. Воронин Подпись, дата Инициалы, фамилии Руководитель Н. В. Ципина Подпись, дата Инициалы, фамилия Нормконтролер Н. В. Ципина Подпись, дата Инициалы, фамилия Защищена ___________________ Оценка _____________________________ Дата Воронеж 2020 Введение При разработке РЭС существует много важных аспектов. Одним из них является соблюдение теплового режима. Иногда для этого необходимо прибегнуть к разработке теплоотвода – специального устройства, рассеивающего тепловую энергию. Источниками тепловой энергии являются радиоэлементы и физические свойства электрических цепей. Часть энергии уходит на полезную работу, а часть превращается в тепло. Именно поэтому происходит нагрев радиоэлементов. Увеличение температуры влечет за собой изменение физических свойств проводников, что в последствие и является причиной выхода РЭС из строя. Для обеспечения теплового режима, необходимого для стабильной работа РЭС, необходимо провести расчет теплового режима и рассчитать систему охлаждения. Эти задачи реализованы в данном курсовом проекте. 1 Анализ элементов блока ЭС В устройстве используются: Транзистор КТ602 с мощностью 1,3 Вт; Транзистор 2SA1837 с мощностью 12 Вт; Транзистор 2SA1837 с мощностью 10 Вт. КТ602 (рисунок 1) – биполярный n-p-n транзистор с диапазоном рабочей температуры -60÷125 ℃. Тепловое сопротивление переход-корпус 45 ℃/Вт, переход окружающая среда 150 ℃/Вт.  Рисунок 1 – Транзистор КТ602 2SA1837 (рисунок 2) – биполярный p-n-p транзистор с диапазоном рабочей температуры -55÷150 ℃. Тепловое сопротивление переход-корпус 4 ℃/Вт, переход окружающая среда 50 ℃/Вт.  Рисунок 2 – Транзистор 2SA1837 2 Выбор способа охлаждения блока ЭС. Выбор способа охлаждения ЭС определяется с помощью графика на рисунке 1.  Рисунок 1 – График области целесообразного применения различных способов охлаждения Для использования графика необходимо вычислить некоторые параметры. По оси ординат проходит шкала перегрева элемента относительно окружающей среды. Определяется по формуле (1):  , (1)где Tmin — температура корпуса наименее теплостойкого элемента, равная 398К, Тс — температура окружающей среды, равная 315К. Перегрев элемента относительно окружающей среды равен 83К. Далее необходимо найти площадь поверхности теплообмена блока. Площадь поверхности рассчитывается по следующей формуле (2):  . (2)где L1, L2, L3 – геометрические размеры блока ЭС, равные соответственно 0,4, 0,2 и 0,21 метрам, Kз - коэффициент заполнения, равный 0,27. Площадь поверхности теплообмена равна 0,228 м2. На оси X расположена шкала десятичного логарифма плотности теплового потока. Плотность теплового потока, проходящего через площадь поверхности теплообмена, определяется по формуле (2):  , (2)где Pn – суммарная мощность, рассеиваемая с поверхности блока, равная 150 Вт, Sn – площадь поверхности теплообмена, равная 0,228 м2. В результате расчета, плотность теплового потока q равна 657,779 Вт/м2, а ее десятичный логарифм равен 2,8. После расчета перегрева элемента относительно окружающей среды и десятичного логарифма плотности теплового потока, по графику определяется область, которая обозначает целесообразный выбор способа охлаждения для ЭС. Выбор области представлен на рисунке 2, точка, куда попадает график полученных значений обозначена крестиком.  Рисунок 2 - Обозначение области целесообразности охлаждения Области второго типа заштрихована и относятся к следующим способам охлаждения: 2 – принудительное воздушное охлаждение. Исходя из необходимости принудительно охлаждения нужно рассчитать удельный объем воздуха на единицу рассеиваемой мощности.  (3)где G – массовый объем воздуха на единицу рассеиваемой мощности взятый равным 0,02 кг/c (рекомендованный диапазон значений от 0,003 до 0,25 кг/c), P – мощность устройства в 150 Вт. Удельный объем воздуха на единицу рассеиваемой мощности равен 480 кг/(ч∙кВт). Для проверки правильности выбора способа охлаждения, используем вероятностные кривые для РЭА в герметичном корпусе с принудительным воздушным охлаждением. График для выбора области представлен на рисунке 3.  Рисунок 3 - Вероятностные кривые для РЭА в герметичном корпусе с принудительным воздушным охлаждением Вероятность расположена в диапазоне от 0,7 до 0,8. Это свидетельствует о приемлемости выбранного способа охлаждения, но в дальнейшем необходимо уделить пристальное внимания температурным режимам. По результатам расчета было выявлено, что для данного блока ЭС, целесообразно применить принудительное воздушное охлаждение. 3 Расчет теплового режима для герметичного блока В предыдущем разделе был получен оптимальный тепловой режим – принудительное воздушное охлаждение в герметичном блоке. Теперь необходимо провести расчет теплового режима блока. Средний перегрев воздуха в блоке электронного средства рассчитывается по формуле (4):  . (4)где, G - массовый объем воздуха на единицу рассеиваемой мощности взятый равным 0,02 кг/c, P – мощность устройства равная 150 Вт. Средний перегрев воздуха в блоке электронного средства равен 3,75К. Площадь поперечного сечения в направлении продувки блока электронного средства рассчитывается по формуле (5):  (5)где L2 и L3 – ширина и высота блока электронного средства равные соответственно 0,2 и 0,21 м2. В итоге расчета площадь поперечного сечения в направлении продувки блока электронного средства S=0,042 м2. Коэффициент М1 в зависимости от массового расхода воздуха G будет рассчитываться по формуле (6):  . (6)Коэффициент М1 в зависимости от массового расхода воздуха G будет равен 0,007. Коэффициент М2 в зависимости от площади поперечного сечения блока S будет рассчитываться по формуле (7):  . (7)Коэффициент М2 в зависимости от площади поперечного сечения блока S равен 3,622. Коэффициент М3 в зависимости от длины корпуса в направление длинны продува будет рассчитываться по формуле (8):  . (8)где L1 длинна корпуса в направлении продувки равен 0,4 м. Коэффициент М3 в зависимости от длины корпуса в направление длинны продува равен 2,639. Коэффициент М4 в зависимости от коэффициента заполнения будет рассчитываться по формуле (9):  (9)где K3 – коэффициент заполнения блока электронного средства равный 0,27. Коэффициент М4 в зависимости от коэффициента заполнения равен 1,322. Перегрев рабочей зоны будет рассчитываться по формуле (10):  (10)Перегрев рабочей зоны равен 17,157 К. Условная поверхность нагретой зоны рассчитывается по формуле (11):  . (11)Условная поверхность нагретой зоны равна 0,228. Удельная мощность нагретой зоны рассчитывается по формуле (12):  . (12)Удельная мощность нагретой зоны равна 657,779 Вт/м2. Перегрев поверхности каждого элемента в зависимости от его мощности будет рассчитываться по формуле (13):  (13)где L – расстояние от источника продува до элемента вдоль линии потока воздуха, Pэ – мощность транзистора. Перегрев поверхности первого транзистора равен 10,127К, второго транзистора 13,789К, третьего транзистора 17,345К. Перегрев среды, окружающей элемент, рассчитывается по формуле (14):  (14)Перегрев среды, окружающий первый транзистор равен 2,213К, второй транзистор 3,016К, третий транзистор 3,791К. Температура нагретой зоны рассчитывается по следующей формуле (15):  . (15)где Tc – температура окружающей среды равная 315К. Температура нагретой зоны равна 332,157К. Средняя температура воздуха в блоке электронного средства рассчитывается по формуле (16):  (16)Средняя температура воздуха в блоке электронного средства равна 318,75К. Температура воздуха на выходе блока электронного средства рассчитывается по формуле (17):  (17)Температура воздуха на выходе блока электронного средства равна 322,5К. Температура поверхности каждого элемента блока электронного средства в зависимости от их перегрева поверхности рассчитывается по формуле (18):  (18)Температура поверхности первого транзистора равна 325,127К, второго транзистора 328,798К, 332,345К. Температура среды воздуха рядом с транзистором будет рассчитываться по формуле (19):  (19)Температура среды воздуха рядом с первым транзистором равна 317,213К, вторым транзистором 318,016К, третьим транзистором 318,791К. Наиболее теплонагруженными транзисторами являются элементы 2SA1837. 4 Расчет радиатора для теплонагруженных транзисторов Необходимо выбрать тип радиатора и произвести его расчет для транзисторов 2SD1837 с мощностью 12 и 10 Вт. Корпус блока является герметичным. Так, как разница в мощности, которую необходимо рассеивать равна всего 2 Вт, принято решение использовать два одинаковых радиатора, рассеиваемая мощность которых >12 Вт. Это позволит удешевить производство теплоотводов. Далее необходимо привести следующие значения: 1) Сопротивление переход-корпус между кристаллом и корпусом Rп.к. = 5 оС/Вт; 2) Сопротивление корпус-радиатор Rк.р. = 1 оС/Вт; 3) Максимальная температура транзистора согласно документации tп = 150 ℃. 4) Температура окружающей среды tc = 42 ℃. Максимально допустимую температуру транзистора можно рассчитать по формуле (28):  (28)где  – максимальная температура транзистора = 150 ℃;P – мощность транзистора равная 12 Вт;  – сопротивление переход-корпус = 5 оС/Вт.Максимальная температура нагрева транзисторов равна 90 ℃. Площадь поверхности основания транзистора рассчитывается по формуле площади прямоугольника (29):  (29)где  – длинна и ширина транзистора равные 10 мм и 8,1 мм.Площадь поверхности основания А=0,00008 м2. Далее рассчитывается средняя температура поверхности радиатора (30):  , (30)где  – тепловое сопротивление корпус-радиатор равное 1 оС/Вт.Средняя температура поверхности радиатора ts=73  .Отношение мощности к площади поверхности основания транзистора рассчитывается согласно формуле (31):  . (31)Отношение мощности к площади поверхности основания транзистора Ф = 148148 Вт/м2. Разность температур между поверхностью радиатора и окружающей средой  определим из формулы (32): , (32)где  – температура среды равная 42 .Разность температур между поверхностью радиатора и окружающей средой  =31 .Для подбора радиатора необходимо воспользоваться графиком (рисунок 5), по которому эмпирическим метом найти удовлетворяющую конструкцию радиатора.  Рисунок 5 - График определения типа радиатора Наиболее близка к точке попадания кривая 12. Это игольчато-штырьевой радиатор.  Рисунок 7 - Игольчато-штыревой радиатор Размеры задаются произвольно: Высота штырей h – 30 мм; Нижнее основание штыря d – 2 мм; Верхнее основание штыря b – 2 мм; Шаг штырей S – 3 мм; Толщина пластины δ – 2 мм. В качестве материала радиатора выбран алюминий (ГОСТ 4784-97) со степенью черноты ε=0,31 и коэффициентом λ = 210 Вт/м2оС. Температурный напор вычисляется по формуле (29):  (29)Температурный напор  = 53 оС.Критерий Грасгофа вычисляется по формуле (30):  (30)где dэкв эквивалентный диаметр штыря равный 2 мм. Критерий Грасгофа  Критерий Нуссельта вычисляется по формуле (31):  (31)Критерий Нуссельта Nu=1,2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией вычисляется по формуле (32):  . (32)Коэффициент теплоотдачи конвекцией ак=19,5. По графику на рисунке 8 определяется коэффициент теплоотдачи излучением.  Рисунок 8 – коэффициент теплоотдачи излучением Коэффициент теплоотдачи излучением  равен 3,5. Общий коэффициент теплоотдачи рассчитывается вычисляется по формуле (33):  (33)Общий коэффициент теплоотдачи а =19. Далее рассчитывается периметр поперечного сечения штыря вычисляется по формуле (34):  (34)Периметр поперечного сечения штыря u=0,006 м. Площадь поперечного сечения штыря вычисляется по формуле (35):  (35)Площадь поперечного сечения штыря f=0,000003 м2. Далее необходимо найти коэффициент X, необходимый для дальнейших расчетов вычисляется по формуле (36):  (36)Коэффициент X=13,5. Теплоотдача единичного штыря вычисляется по формуле (37):  (37)где  – вспомогательный коэффициент равный 1,14. Теплоотдача единичного штыря  =0,204 Вт.Общее количество штырей радиатора вычисляется по формуле (38):  . (38)где  – вспомогательный коэффициент равный 0,6.Общее количество штырей радиатора n=37 шт. Площадь основания теплоотвода вычисляется по формуле (39):  (39)где S – шаг между штырями равный 3 мм; Sпр – площадь поверхности транзистора равная 81 мм2. Площадь основания теплоотвода равна 0,0004 м2, а стороны радиатора 20 мм. В результате расчета был получен радиатор из алюминия со следующими размерами: Высота h – 30 мм; Нижнее основание штыря d – 2 мм; Верхнее основание штыря b – 2 мм; Шаг штырей S – 3 мм; Толщина пластины δ – 2 мм; Количество штырей n – 37 шт; Стороны пластины – 20х20 мм. Расчет рассеиваемой мощности радиатором представлен в формуле (42):  (42)Рассеиваемая мощность радиатором равна 12 Вт. Приложение А  Приложение Б  3 |