Full Text

Введение. В процессе разработки новых и совершенствования уже существующих радиоэлектронных устройств зачастую возникает вопрос об их нагрузочной способности. В частности, весьма актуальным является проблема отвода мощности от полупроводниковых приборов [5]. Эту энергию, выделяемую в кристаллах полупроводников вследствие их ненулевого сопротивления, необходимо достаточно быстро рассеивать в окружающую среду, что обусловливается относительно малыми размерами кристалла и его небольшой теплоемкостью. Современные полупроводниковые приборы оперируют большими токами, и выделяющегося тепла вполне достаточно, чтобы расплавить кристалл кремния или германия, выведя тем самым устройство из работоспособного состояния. Ввиду малых габаритов современных полупроводниковых приборов на расчетных токах их эксплуатируют с дополнительными металлическими радиаторами, которые призваны рассеивать тепло в окружающую среду более эффективно. Однако с поверхности радиатора тоже необходимо отводить энергию, иначе не может быть обеспечена работа устройства в стационарном режиме [6]. На сегодняшний день наибольшее распространение получили 2 способа охлаждения радиаторов: естественная и принудительная конвекции. Первый способ не предусматривает наличия в системе охлаждения активных устройств типа вентиляторов или элементов Пельтье [7], здесь радиатор отдает тепло за счет излучения и естественного обдува воздухом. Такой способ не является эффективным с точки зрения компактности корпуса устройства и расположения в нем элементов и блоков конструкции, зачастую вентиляционных каналов оказывается недостаточно, а излучение греет корпус устройства и соседние элементы, которые впоследствии сами становятся вторичными источниками нагрева. Гораздо лучших технико-экономических показателей прибора позволяет достичь применение активных систем охлаждения, наиболее простыми из которых являются вентиляторы [8], создающие направленные потоки воздуха внутри корпуса радиоэлектронного устройства. В этом случае основным способом отъёма тепла с радиатора является конвекция. Рассмотрим конкретный пример радиоэлектронного устройства, где основными источниками тепловых потерь являются полевой транзистор и диодная сборка в стандартных корпусах типа TO-220-1 [9]. Отвод тепла с такого элемента происходит через 4-й массивный металлический электрод, закрепленный на алюминиевом радиаторе. Оба радиатора находятся внутри корпуса устройства и обдуваются потоками воздуха, создаваемого стандартным 40 мм вентилятором. Наибольший интерес представляет процесс определения максимальных энергий, способных рассеиваться на радиаторах заданной конструкции, и размера при заданных внешних условиях и допустимых температурах на полупроводниковых приборах. 1. Определение расхода. В рассматриваемом изделии используются стандартные вентиляторы типоразмера 40´40 мм и толщиной 10 мм. Физически они представляют собой бесколлекторные электромоторы постоянного тока со встроенной электронной схемой коммутации обмоток статора, оборудованные пластиковой крыльчаткой. В данном устройстве вентилятор питается от стабилизированного источника напряжения 12 В. Для оценки возможности применения в конструкции вентиляторов различных производителей были закуплены следующие модели: F4010S-3 бренда 5 Bites, принадлежащего компании Index [10] и D40SM-12A-25 производства компании Gembird [11]. Оба вентилятора обладают схожими характеристиками. Для проверки достоверности сведений, предоставленных производителями вентиляторов, был запланирован эксперимент, заключающийся в определении скорости воздушного потока каждого образца. Для измерения скорости воздушного потока был задействован анемометр цифровой переносной АП-1М-1 с крыльчатым датчиком. Для создания замкнутого контура был изготовлен адаптер-переходник, соединяющий исследуемый вентилятор и анемометр (рис. 1). Вентилятор Адаптер Анемометр Потоки воздуха Рис. 1. Схема установки для измерения скорости воздушного потока Однако в процессе проведения эксперимента было обнаружено, что воздушного потока, создаваемого одним вентилятором, не достаточно для нормальной работы анемометра. При увеличении потока воздуха за счёт дополнительных вентиляторов крыльчатка анемометра начинала вращаться, однако индицируемые прибором скорости находились на нижнем пределе его чувствительности, что не позволило достаточно точно оценить поток. Для преодоления данного затруднения был избран иной способ исследования, а именно измерение времени заполнения ёмкости известного объема. В качестве ёмкости применялся легкий нерастяжимый пакет объемом 200 л. Каждый новый вентилятор предварительно включался и работал 10 мин, в течение которых происходило растекание смазки во втулках скольжения и, как следствие, стабилизация рабочих параметров. Опыт по наполнению тестового объёма повторялся 5 раз, после чего высчитывалось среднее время наполнения. Данный метод не является самым точным, однако при достаточно большом измерительном объёме и большой кратности повторения позволяет весьма оперативно оценить рабочие характеристики вентиляторов. Так же был измерен ток, потребляемый каждым вентилятором при работе без нагрузки. Для удобства заявленные и измеренные характеристики исследуемых вентиляторов были сведены в табл. 1. Таблица 1 Заявленные и измеренные параметры вентиляторов Модель Заявленный ток, А Измеренный ток, А Заявленный расход, м3/c Измеренный расход, м3/с F4010S-3 - 0,066 3,31·10-3 2,10·10-3 D40SM-12A-25 0,12 0,070 1,45·10-3 1,54·10-3 Сравнение заявленных и измеренных характеристик показывает их существенное расхождение, причём как в сторону завышения, так и занижения показателей расхода. Вероятно, дело в различиях методик измерения, девиациях параметров отдельных вентиляторов, также не исключено сознательное искажение данных недобросовестными производителями. Из табл. 1 видно, что в реальной конструкции целесообразнее использовать вентилятор модели F4010S-3, который при меньшем токе обеспечивает больший воздушный поток. Анализ работы данного вентилятора в готовом устройстве показал, что напряжение питания существенно отличается от номинального и составляет 10-17 В (верхний предел напряжения соответствует работе с максимальным теплорассеянием на полупроводниках). Поэтому для вентилятора F4010S-3 были дополнительно рассчитаны режимы работы в указанном диапазоне напряжения. Результаты сведены в табл. 2. Таблица 2 Параметры работы вентилятора F4010S-3 в диапазоне 10-17 В Напряжение питания, В Потребляемый ток, А Измеренный расход, м3/с 10 0,057 0,0015 11 0,062 0,0018 12 0,066 0,0021 13 0,071 0,0025 14 0,075 0,0028 15 0,079 0,0030 16 0,083 0,0032 17 0,087 0,0035 2. Моделирование процесса тепломассопереноса. При рассмотрении конструкции устройства было решено исключить все элементы печатной платы, кроме двух радиаторов и трансформатора, который геометрически был заменен габаритным параллелепипедом. Сами полупроводниковые приборы также были исключены, а нагрев имитировался заданием предельно допустимой температуры на площадках контакта «транзистор-радиатор». Корпус прибора имел прямоугольную конструкцию с отверстием для нагнетающего вентилятора и продольными жалюзи для отвода горячего воздуха наружу. Схематично получившееся устройство прибора показано на рис. 2. Вентилятор Выходные жалюзи Полупроводниковые приборы Рис. 2. Геометрия исследуемой области При моделировании были сделаны следующие упрощающие допущения: задача стационарная, тепло от радиаторов отводится только за счёт конвекции и излучения, не учитывается естественная конвекция, теплофизические свойства материала радиаторов и воздуха постоянны. Математическая модель процесса тепломассопереноса представляет собой совокупность уравнений состояния, записанных для воздуха и радиаторов (нижний индекс «р» в уравнении (5)): (1) (2) (3) (4) (5) где x, y и z - декартовы координаты; vx, vy и vz - компоненты вектора скорости; P - давление; T - температура; ρ - плотность; C - теплоемкость; λ - теплопроводность; μ - вязкость воздуха (с индексом «р» - плотность, теплоёмкость и теплопроводность радиатора); - компоненты тензора напряжения. В области, соответствующей расположению нагнетательного вентилятора, задавались температура окружающей среды и эпюра скорости, формирующая ранее измеренный расход воздуха. На поверхности, соответствующей выходу, - нулевой тепловой поток и искусственное сопротивление движению воздуха, учитывающему наличие ламелей вентиляционной решетки [12]. На остальных стенках, образующих корпус, задавались нулевые компоненты скорости и условия конвективного теплообмена с окружающей средой: (где α - коэффициент теплоотдачи с поверхности корпуса в окружающую среду, Tср - температура окружающей среды). На обдуваемых поверхностях радиаторов - нулевые компоненты скорости, равенство температур радиатор-воздух, а также граничное условие 4-го рода: . Следует заметить, что иногда радиаторы покрываются черной краской или слоем оксида. В этих случаях необходимо учитывать тепловое сопротивление дополнительного промежуточного слоя. 3. Численная реализация модели. Численное решение [13] системы уравнений (1)-(5), дополненной граничными условиями и свойствами материалов радиаторов и воздуха, происходило в среде инженерного конечно-элементного анализа Ansys Fluent [14]. Большое количество конечных элементов модели (порядка 4,5 млн элементов) было обусловлено достаточно тонкими рёбрами радиаторов: предельный размер элемента для них был подобран экспериментально и составил порядка 0,8 мм. Для воздуха минимальный размер элемента соответствовал размерам элементов радиаторов и отводящих жалюзи, максимальный размер был порядка 6-7 мм. Таким образом, для воздуха была построена неравномерная сетка, что, однако, не дало негативных последствий, но позволило сократить суммарное количество элементов модели и время счёта. На рис. 3 представлены поверхностные элементы сетки исследуемой области. На радиаторах отчетливо видны пятна прилегания охлаждаемых полупроводниковых приборов. Рис. 3. Разбиение модели на сетку конечных элементов Признаком окончания счёта [15] в данном случае была выбрана стабилизация тепловых потоков, отводимых из полупроводниковых приборов в радиаторы и далее снимаемых с радиаторов воздушным потоком (рис. 4). Здесь RHC-01 - радиатор большего размера. 0 1 E, Вт 0 1000 2000 3000 4000 5000 i Радиатор RHC-01 Радиатор RHC-02 2 3 4 5 6 7 8 9 Рис. 4. Изменение тепловых потоков рассеяния радиоэлементов E от итераций i Таким образом, для стабилизации тепловых потоков с полупроводниковых приборов оказалось достаточным порядка 1000 счётных итераций. Графики, приведенные на рис. 4, также позволяют вывести предельные уровни отводимых от полупроводниковых приборов энергий для заданных значений температур (для данного расчёта были заданы предельные ограничения в 80 и 60 град. Цельсия). Для указанных температур тепловые потоки, отводимые от радиоэлементов через радиаторы, составили 8,77 и 3,67 Вт для RHC-01 и RHC-02 соответственно. При этом с поверхности самого элемента, обращенной от радиатора, энергии отводилось на порядок меньше (0,13 и 0,03 Вт), что позволяет этой составляющей теплоотвода пренебречь. Для оценки количества тепла, отдаваемого радиаторами за счёт излучения, была решена аналогичная задача, дополненная излучением с поверхности радиаторов. В этом случае с полупроводниковых приборов снимается 14,17 и 5,36 Вт мощности, что дает прирост в 62 и 46 % соответственно. Меньший прирост у радиатора RHC-02 объясняется его меньшей площадью. Таким образом, достоверно установлено, что в данной задаче необходимо учитывать энергию, отводимую за счёт излучения. Для оценки температур внутри корпуса было выведено поле температур, фрагмент которого представлен на рис. 5. Хорошо заметна деформация поля, образующаяся в результате увлечения нагреваемых масс воздуха внутри корпуса набегающим потоком, создаваемым вентилятором. а Рис. 5. Распределения тепловых потоков по площади: а - поле температур внутри корпуса, б - тепловые потоки, отводимые от полупроводниковых приборов, в - для радиатора RHC-01, г - для радиатора RHC-02 б в г Рис. 5. Окончание На рис. 5, б, в, г представлены визуализированные потоки тепла, передаваемые через пятна контакта полупроводниковых приборов и радиатора. Хорошо видна неравномерность картины энергоотдачи, что объясняется лучшими условиями охлаждения по краям пятна контакта. Гистограммы представляют собой разложение рассеиваемых мощностей по площади пятен контактов, вертикально - процент от площади, с которой происходит теплоотдача. Гистограммы подтверждают неравномерность передачи тепла по площади, что должно быть учтено в выборе термоинтерфейса системы «полупроводник-радиатор» [17]. Для оценки правомочности выбора ламинарного режима течения были рассчитаны и выведены поля безразмерного числа Рейнольдса [17, 18], фрагмент которых приведен на рис. 6. Максимальное значение для всего исследуемого объёма не превышает 56, поэтому режим течения воздушных потоков можно считать ламинарным [19]. Рис. 6. Характерное число Рейнольдса Анализ применимости полученных результатов и выработка рекомендаций. Для расширения сферы применимости предложенной модели были проведены дополнительные расчёты для различных сочетаний питающих напряжений вентилятора и допустимых температур на рассматриваемых радиаторах (11-17 В и 40-100 °С соответственно). Результаты были систематизированы в табл. 3 и представлены в виде поверхностных диаграмм на рис. 7. Таблица 3 Рассеиваемая энергия - температуры - напряжения Мощность, отводимая радиатором RHC-01, Вт Мощность, отводимая радиатором RHC-02, Вт U, В Т1, °С U, В Т2, °С 40 60 80 100 40 60 80 100 11 2,21 5,38 8,62 11,87 11 1,22 3,09 4,95 6,81 12 2,40 6,09 9,75 13,41 12 1,41 3,62 5,81 8,00 13 2,63 6,66 10,67 14,69 13 1,61 4,13 6,63 9,13 14 2,82 7,10 11,39 15,68 14 1,78 4,55 7,31 10,07 15 2,94 7,44 11,93 16,42 15 1,93 4,89 7,84 10,80 16 3,07 7,76 12,44 17,11 16 2,11 5,37 8,61 11,86 17 3,23 8,18 13,11 18,04 17 2,23 5,68 9,11 12,55 40 60 80 T1, 0С 10 11 12 13 14 15 16 U, В 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 P1, Вт 40 60 80 T2, 0C 11 12 13 14 15 16 U, В 0 2 4 6 8 10 12 P2, Вт Для радиатора RHC-01 Для радиатора RHC-02 Рис. 7. Зависимости отводимых радиаторами энергий Анализ уровней отводимых радиаторами энергий показал, что практически отсутствует зависимость изменения отводимой мощности от допустимой температуры соседнего радиатора, что обусловливается характером съёма тепла с радиатора, набегающим потоком воздуха. Этот же поток и изолирует радиаторы друг от друга. Данное обстоятельство позволило существенно упростить расчеты. Для возможности учета полученных результатов в реальных разработках табличные данные были проанализированы и сведены к полиноминальному виду. На рис. 7 хорошо заметна кривизна сечений поверхностей, поэтому было принято решение задействовать полином 2-го порядка [20] вида P(Вт) = a+b/U(В)+c·Т(°С)+d/U(В)2+e·Т(°С)2+f·y/U(В), где a, b, c, d, e и f - коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов. Для удобства полученные величины коэффициентов и величина коэффициента детерминации R2 сведены в табл. 4. Таблица 4 Коэффициенты полиномов Наименование a b c d e f R2 Для радиатора RHC-01 -11,27 84,27 0,39 -89,29 1,90·10-6 -2,58 0,9998 Для радиатора RHC-02 -5,18 -24,99 0,32 608,75 -7,14·10-6 -2,44 0,9997 Выводы. В результате проведения данного исследования были определены предельные параметры нагрузки, с которыми без фатальных последствий способны справиться штатные средства охлаждения исследуемого устройства. Предложенная математическая модель и методика её реализации дополнительно позволяют произвольно менять внешние условия эксплуатации, давая однозначное представление о поведении устройства при его работе, например, в иных температурных или климатических поясах. Такие данные являются необходимыми для понимания критических условий работоспособности радиоэлектронных устройств, оценки его надежности, а также для обоснования необходимости модернизации существующих систем охлаждения.

About the authors

A. V Kazakov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 29

PDF (Russian) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.