Проектирование системы воздушного охлаждения электронных устройств

с мощными локальными источниками теплоты

С.Ю. Муров,

инж., priboi60@mail.ru,
ОАО «БНТ «ПРИБОЙ», г. Санкт-Петербург

Представлена процедура определения конструктивных параметров системы принудительного воздушного охлаждения на основе биметаллического ребристого радиатора. Основой алгоритма является решение двух взаимосвязанных задач: расчета гидродинамических параметров и вычисления трехмерного температурного поля ребер и основания, с размещенными на нем малогабаритными мощными источниками теплоты.

Here is presented the procedure for determination of the constructional parameters of forced air cooling system which consist of bimetallic ribbed radiator. The basis for this algorithm is the solution of two related problems: calculation of hydrodynamic parameters and calculation of 3D temperature field of ribs and base on which compact powerful heat source is placed.

Задача обеспечения нормального теплового режима при проектировании электронных устройств, имеющих малогабаритные электронные компоненты с большой удельной мощностью тепловыделений (до 5*10⁵ Вт/м²) при площадях контакта не более 4*10^{-4 м2} , с системой принудительного воздушного охлаждения весьма актуальна.

Современные технологии изготовления ребристых радиаторов позволяют оптимизировать радиаторы [1] по весу, габаритам, толщине основания и ребер, шагу установки ребер, а также по конфигурации ребер. В одном радиаторе могут использоваться медные ребра и ребра алюминиевые (см. рис.), причем, толщина рёбер может различаться.

рис. Биметаллический ребристый радиатор

Используемое в настоящее время оборудование, например, цифровые ТВ передатчики иностранного производства мощностью более 1,5Квт охлаждаются жидкостными системами, имеющими существенные эксплуатационные недостатки. Разработанные конструктивные и технологические решения позволяют увеличить эффективность воздушного охлаждения, что позволяет системам принудительного воздушного охлаждения успешно конкурировать с жидкостными системами радиаторы [2].

В процессе проектирования систем воздушного охлаждения необходимо учитывать ограничения на габаритные размеры этих систем, обусловленные геометрией базовых несущих современной электронной аппаратурой. Дополнительными ограничениями в оптимизации является: уровень шума вентиляторов, необходимость выбора толщины ребра из ограниченного набора разрешенных значений и максимальные температуры в зонах контакта радиатора и тепловыделяющих электронных компонентов (на каждом основании радиатора могут размещаться несколько источников значительных тепловыделений). Целевой функцией оптимизации может быть: масса, габариты, стоимость.

Выбор параметров оптимальной конструкции производится с помощью итерационного алгоритма. На каждой итерации моделирования решаются две взаимосвязанные задачи: расчета гидродинамических параметров и вычисления трехмерного температурного поля основания и ребер.

Расчётным ядром в системе проектирования являются следующие модули:

· выбор типа вентилятора;

· задание геометрических параметров воздушного тракта;

· задание геометрических параметров радиатора (толщины ребер и оснований, высота и длина ребер, количество ребер, ширина и длина оснований);

· гидродинамический расчет;

· задание материалов ребер и оснований радиатора;

· задание на основаниях геометрии расположения и величин тепловыделений компонентов;

· вычисление коэффициентов теплообмена ребер;

· вычисление распределения эффективных коэффициентов теплообмена оребренной поверхности основания;

· расчёт распределения температур воздуха в каналах вдоль направления движения воздуха;

· расчёт с помощью конечноэлементной программы трехмерного температурного поля оснований радиатора с учетом распределения источников теплоты;

· сравнение допустимых и расчетных температур в областях контакта основания с источниками теплоты;

· выработка рекомендаций по изменению толщины основания.

На основе полученных результатов вырабатываются решения о направлении дальнейшего проектирования:

· оптимизация по геометрическим параметрам;

· применение другого материала для определенных ребер;

· выбор типа вентилятора.

Литература

1. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. - М.: Энергия, 1997 – 256 с.

2. Евзеров И.Х., Фейгельман И.И., Ткаченко А.А. Конструирование мощных тиристорных электроприводов. – М.: Энергоатомиздат, 1992 – 228 с.