Расчет радиатора (2). Расчет радиатора Условие задачи

• Название: Расчет радиатора Условие задачи
• Дата: 26.02.2021
• Размер: 163.98 Kb.
• Имя файла: Расчет радиатора (2).docx
• Тип: Документы; #179899

Расчет радиатора

Условие задачи

Выбрать и рассчитать радиатор по исходным данным согласно таблице 1. По результатам расчёта разработать чертёж радиатора для заданного типа полупроводникового прибора.

Основными критериями при выборе и расчёте радиаторов считать: минимальная масса и минимальные габаритные размеры.

Исходные данные

Тип п/п прибора	Температура окр. среды,	Давление окр. среды, мм рт.ст.	Номинальное значение тока в нагрузке, А	Относительная влажность,	Площадь основания, S, м2
ТО 142-30-600	+50	760	75	80	0,03

1. Тиристор ТО 142-30-600

Тиристоры оптронные (оптотиристоры) кремниевые диффузионные p-n-p-n (см.рис.1). Два полупроводниковых элемента: кремниевый фототиристор и арсенид-галлилевый излучающий диод, обьединены в одну конструкцию. Предназначены для применения в помехоустойчивных схемах автоматики и в целях постоянного и переменного токов преобразователей электроэнергии. Выпускаются в металлостеклянном корпусе штыревой конструкции с жесткими силовыми выводами. Анодом является основание.



Рисунок 1 – ТО 142-30-600

Из справочника так же находим данные, необходимые для расчёта радиатора (таблица 2).

Таблица 2 – Характеристики тиристора ТО 142-30-600

Наименование	Значение
Напряжение, В	1,85
Максимально допустимая температура корпуса и перехода, Tmax, °С	+100
Тепловое сопротивление переход-корпус, Rпк, °С/Вт, не более	0,036

2. Выбор радиатора в первом приближении

Для выбора радиатора в первом приближении воспользуемся графо- аналитическим методом, представленным в литературном источнике [2]. Для этого сначала рассчитаем максимально допустимый перегрев тиристора по формуле 3.1.

𝜃т = 𝑇𝑚𝑎𝑥 – 𝑇с;

(3.1)

𝜃_т = 100 − 50 = 50 [°𝐶].

Зададим запас перегрева в 10 °С, тогда перегрев тиристора составит 60 °С. Затем рассчитаем удельную мощность по следующей формуле:

, (3.2)

где P – рассеиваемая мощность, вычисляемая по формуле 3.3;

𝑆_усл – условная площадь (площадь места под радиатор на плате);

k – коэффициент поправки на повышенное давление окружающей среды, равный 1,37 [2].

(3.3)

где U – напряжение (1,85 В);

I – номинальный ток в нагрузке (75 А).

𝑃=1,85 ∙ 75= 138,75 [Вт].

Допустим, что условная площадь составляет 0,25х0,25 [м²].

𝑆_усл=0,25∙0,25=0,0625 [м²];

Тогда



Затем по графику из [2], представленному на рисунке 2 выбираем радиатор.

С некоторыми допущениями, так как рассчитанное значение перегрева и удельной мощности не позволяют точно выбрать какой-либо радиатор, условно выберем ребристый радиатор в условиях принудительного

охлаждения (скорость движения воздуха от 2 до 5 м/с).



Рисунок 2 – График для определения типа радиатора и условий охлаждения

а1-б1, а2-б2, а3-б3 – пластинчатые, ребристые, штыревые радиаторы при свободной конвекции; а4-б4 – пластинчатые; а5-б5 – ребристые; а6-б6 –петельно-проволочные; а7-б7–жалюзийные; а8-б8–штыревые радиато

при вынужденном обдуве воздухом со скоростью 2-5 м/с [2].

2. 
   Расчёт двусторонне оребрённого радиатора в условиях вынужденного охлаждения
   

Для расчёта воспользуемся методикой из [1].

Максимальная мощность, которую может рассеять прибор с теплоотводом:

(4.1)

где максимальная рабочая температура прибора; максимально допустимая температура среды; тепловое сопротивление переход – корпус.



Затем определим тепловое сопротивление теплоотвода:

; (4.2)

где контактное тепловое сопротивление корпус-теплоотвод, равное 0,5;

коэффициент, учитывающий неравномерный характер распределения температуры, равный 0,9.

.

Среднеповерхностная температура перегрева теплоотвода определяется по формуле:

𝑇т − 𝑇𝑐 = 𝑃𝑅тс

(4.3)

𝑇_т = −138,75 ∙ 0,158+50 =28,07.

Зададим примерные геометрические параметры радиатора:

• 
  Длина – L = 220 мм;
  
• 
  Ширина – l = 220 мм;
  
• 
  Высота –2h =140 мм;
  
• 
  Толщина ребра – δ = 3 мм;
  
• 
  Толщина основания радиатора – d =5 мм;
  
• 
  Количество ребер – n = 10.
  

Эскиз радиатора представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Эскиз радиатора

Рассчитаем площадь оребренной поверхности по следующей формуле:

𝑆_ореб = 𝐿ℎ2𝑛_𝑙 + 𝑙𝐿 + 2𝑛_𝑙δh; (4.4)

где 𝑛_𝑙 – число полных ребер.

𝑆_ореб = 220 ·70·2·10 + 220·220 + 2·10·3·50 =360600^[мм^2]≈ 0,36 [м²].

Затем рассчитаем конвективный коэффициент теплоотдачи:

𝛼к = 𝑁𝑢 ∙ 𝜆⁄𝐿,

(4.5)

где Nu – критерий Нуссельта, вычисляемый по формуле 4.4; λ – коэффициент теплопроводности;

L – определяющий размер, в нашем случае длина радиатора.

𝑅𝑒𝐿 = 𝑉 ∙ 𝐿⁄𝜈

(4.7)

^{где Re}_L ^{– критерий Рейнольдса, вычисляемый по формуле 4.5.} где V – скорость набегающего потока воздуха;
ν – коэффициент кинематической вязкости воздуха

Допустим, что скорость воздуха равна 5 м/с, а коэффициент кинематической вязкости при температуре +50 °С и нормальном атмосферном давлении равен 17,95∙10^-6 м²/с, теплопроводность воздуха при тех же условиях равна 2,83∙10^-2 Вт/(м∙К) [1].

𝑅𝑒_𝐿 =5∙0,22^⁄17,95 ∙ 10⁻⁶ = 61281,337.

Критерий Рейнольдса меньше некоторого критического значения, следовательно режим течения воздуха ламинарный.

𝑁𝑢=0,8·√61281,337=247,55.

Тогда

𝛼к(𝐻) = 𝛼к(𝐻0) ∙ 𝐴

(4.8)

Введем поправку для повышенного давления по формуле 4.6:
где 𝛼_к⁽𝐻⁾ – конвективный коэффициент теплоотдачи при текущем значении давления;

𝛼_к⁽𝐻₀⁾ – конвективный коэффициент теплоотдачи при нормальном давлении;

A – коэффициент, определяемый по графику, представленному в [1] на с.84, равный 1,1.

𝛼_к⁽900⁾ = 31,84 ∙ 1,15 = 3,66

𝛼л = 𝜀𝑓(𝑇т, 𝑇с)𝜑𝑖𝑐 ,

(4.9)

Затем рассчитаем лучистый коэффициент теплоотдачи:
где 𝜀 – коэффициента черноты поверхности полного нормального излучения, равный 0,96.

𝜑_𝑖𝑐 – коэффициент облученности между i-й поверхностью и средой:

(4.10)

где b – расстояние между ребрами; h – высота ребра.



Из справочных таблиц, представленных в [2]:

𝑓⁽𝑇_т, 𝑇_с⁾ = 8,12 [Вт/м²].

Тогда:

𝛼_л=0,96·8,12 ∙ 0,067 = 0,522

Найдём мощность рассеиваемую оребрённой поверхностью:

_𝑃ореб = ^[𝛼_к⁽𝑇_т − 𝑇^′_с⁾ + 𝛼_л⁽𝑇_т − 𝑇_с^)]𝑆_ореб;

𝑇^′_с = 𝑇_т − 𝐻⁽𝑇_т − 𝑇_с⁾;

𝐻 = 𝑓⁽𝜂⁾;

𝜂 = 𝐴₄(𝑇_𝑚) ∙ 𝑏 ∙ 𝐶;

𝐴₄ = 𝑓(𝑇_𝑚);

;

;



.

где 𝑇^′_с - температура среды между ребрами; H – относительный температурный напор, определяется по графику из [1] на с. 86; 𝐴₄(𝑇_𝑚) –параметр, учитывающий физические свойства среды, определяемый по графику из [1] на с. 86; 𝜂-безразмерный параметр; С, К, М – некие коэффициенты; усреднённая температура.

Тогда





;



𝐴₄ = 𝑓⁽39,035⁾ =2,28

𝜂 = 2,28 ∙ 10 ∙ 0,42 =9,576

𝐻 = 𝑓⁽9,576⁾ = 0,856

𝑇^′_с = 28,07 − 0,856·⁽28,07− 50⁾ =46,84 [°С];

P_ореб = ^[3,66·^(-28,07−46,84⁾+0,52·⁽−28,07− 50^)] ∙ 0,36=−288,785 [Вт].

Найдём тепловое сопротивление оребрённой поверхности:

Так как мощность отрицательной быть не может, возьмём её значение по модулю:



Общее тепловое сопротивление:



3. Проверка правильности расчёта

Расчёт выполнен верно, если выполняются условия:

𝑅т.с.расч ≤ 𝑅т.с.исх.дан; 0,076 = 0,076 𝑃ореб ≥ 𝑃исх.дан;
288,785 [Вт]≥ 137,5 [Вт].

Все условия выполняются. Расчёт выполнен верно.

Ответ:

Таким образом, в качестве теплоотвода для тиристора ТО 142-30-600 был выбран ребристый радиатор размерами 220х220х140 мм, толщина рёбер составляет 3 мм, толщина основания – 5 мм, расстояние между рёбрами –10 мм. Условия охлаждения – принудительное воздушное охлаждение, скорость воздуха 5 м/с.

Чертёж радиатора прилагается к расчётной работе.

Список литературы

1. 
   Аксёнов А.И. Отвод тепла в полупроводниковых приборах/ Аксёнов А.И., Глушкова Д.Н., Иванов В.И. – М: Энергия, 1971. – 176 с.: ил.
   
2. 
   Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппара- туры» – М: Высш. шк., 1984 – 247 с., ил.
   
3. 
   Защита РЭС в экстремальных условиях: Методические указания/ Сост. В.А. Карачинов; НовГУ, Новгород, 2000.
   
4. 
   Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник/ В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петров. – М: Радио и связь, 1987 – 176 с.: ил.