Файл: Курсовой проект по дисциплине Теплофизические процессы в электронных средствах.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖКИЙ 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 №5
Разработал студент Иванова С.С.

Подпись, дата Фамилия, инициалы

Руководитель Ципина Н.В.

Подпись, дата Фамилия, инициалы

Нормоконтролер Ципина Н.В.

Подпись, дата Фамилия, инициалы

Защищена ___________________ Оценка _____________________________

Дата
Воронеж 2022

Замечание руководителя

Введение.

Применение на ранней стадии проектирования ориентировочного выбора способа охлаждения обусловлено тем, что модули, из которых состоит источник питания, представляют собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты.

Назовем системой охлаждения РЭА совокупность устройств и конструктивных элементов, применяемых для обеспечения нормального теплового и влажностного режимов РЭА. Системы охлаждения можно разделить на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные, радиационные, специальные и комбинированные. В воздушных СО в качестве теплоносителя используется воздух; при этом различают свободное воздушное охлаждение, внутреннее перемешивание воздуха в корпусе аппарата, свободную и принудительную вентиляцию.

Последняя осуществляется вследствие разности плотностей воздуха холодного снаружи и нагретого внутри аппарата, при этом в корпусе аппарата имеются специальные вентиляционные отверстия. Принудительная вентиляция, которая может быть приточно-вытяжной, приточной или вытяжной. Приточная вентиляция осуществляется нагнетанием в корпус РЭА охлажденного и очищенного воздуха, вытяжная - вытягиванием из РЭА нагретого воздуха. В первом случае вентилятор работает в более холодном и, следовательно, более плотном воздухе и поэтому эффективнее второго случая. В приточно-вытяжной вентиляции нагнетание холодного и вытяжка нагретого воздуха осуществляются вентиляторами.

---

Жидкостная и испарительная системы охлаждения, внутренний объем корпуса которых заполнен жидкостью, омывающей поверхность плат, шасси, деталей и т. п. При этом теплообмен между этими элементами и жидкостью может происходить как в обычных условиях (свободная и вынужденная конвекция), так и при кипении жидкости. Отвод теплоты от нагретой жидкости может быть осуществлен с помощью погруженного в жидкость змеевика с теплоносителем или теплообменников, установленных на корпусе аппарата.

1. 
   Выбор способа охлаждения.
   
   1. 
      Анализ технического задания.
      

Современная техника требует комплексного подхода в вопросах проектирования РЭС, а его способ охлаждения во многом определяет его конструкцию. Поэтому Выбор способа охлаждения должен определять на начальных этапах.

Система охлаждения представляет собой совокупность устройств и конструктивных элементов, применяемых для обеспечения нормального теплового и влажностного режимов РЭА. Проведем анализ данных, представленных нам в ТЗ, определим способ охлаждения.

Предоставленные данные:

- Общая мощность 180 Вт [P];

- Температура окружающей среды 298 К [T], влияющая на тепловой режим блока;

- Давление окружающей среды 0,08 Мпа [H];

- Коэффициент заполнения 0,45 [K3];

-Размеры блока равны 0,36×0,18×0,2 м [L1 × L2 × L3].

Мощность, выделяемая транзисторами:

2SА1244	2SА1244	2SА1244
11.4	15,0	10,3

Исходя из условий, самым теплонагруженным является первый транзистор 2SА1244 с мощностью 15,0 Вт, в связи с этим для него мы и будем выбирать и рассчитывать радиатор.

Транзистор 2SА1244 является PNP переключательным и имеет форму, представленную на рисунке 1. Для него критической температурой p-n перехода является 150 °С. Максимальная рассеиваемая мощность (Pc): 1 W; Макcимально допустимое напряжение коллектор-база (Ucb): 60 V; Макcимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uce): 50 V; Макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (Ueb): 5 V; Макcимальный постоянный ток коллектора (Ic): 5 A ; ; Граничная частота коэффициента передачи тока (ft): 60 MHz; Ёмкость коллекторного перехода (Cc): 170 pf; Корпус транзистора: TO202.



Рисунок 1 – Транзистор 2SА1244.

---

2. Выбор способа охлаждения блока.

Системы охлаждения делятся на: воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные, радиационные, специальные, комбинированные.

От способа охлаждения во многом зависит и сама конструкция РЭА, поэтому способ охлаждения нужно выбирать ещё на ранних стадиях проектировки блока. Если же способ будет выбран не верно, то это скажется на функциональности схемы, и обнаружить ошибку можно будет лишь в процессе конструирования.

Предоставленных данных и детального анализа нам хватает для предварительной оценки и расчётов для выбора системы охлаждения.

По результатам обработки статистических данных для реальных конструкций, тепловых расчетов и данных испытания макетов были построены графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения.

За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения, принимается значение плотности теплового потока q, , проходящего через поверхность теплообмена Sп :
(1)
где Р – суммарная мощность, рассеиваемая источником вторичного электропитания с поверхности теплообмена, равная 180 Вт;

Для нахождения условной поверхности теплообменника Sп используем формулу (2):
Sп = 2[L1 ∙ L2 + (L1 + L2) L3 ∙ Kз], (2)
где L1, L2, L3 – размеры корпуса, м;

Kз – коэффициент заполнения.

Определим тип корпуса для блока и способ охлаждения в соответствии с исходными данными, приведенными в задании на курсовую работу. Для этого произведем расчет по формуле (2) нахождения условной площади поверхности, подставив значения L1 = 0,36 м; L2 = 0,18 м; L3 = 0,2 м; Kз = 0,45 в формулу 2:
Sп = 2[0,36 ∙0,18 + (0,36 + 0,18) ∙ 0,2 ∙ 0,45] = 0,2268 .


Рисунок 2 – Зависимость = от давления окружающей среды.
Определяем по графику на рисунке 2 Кр (коэффициент, учитывающий давление воздуха), принимая мощность =

---

Па, заданную по ТЗ.

Для точного расчета, воспользуемся формулой:
, (3)
где – давление окружающей среды.

Теперь, имея все необходимые данные для нахождения плотности теплового потока q, , подставим их в формулу (1).
.
lg(817,5) = 2,9.
Следующим показателем, который нам требуется найти, является минимальный перегрев компонентов в блоке – ΔТс (формула 4).
ΔТс = Тmin – Тс, (4)
где Тmin - допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента, которая берётся из технической характеристики нашего транзистора;

Тс – температура окружающей среды.

Максимальную мощность имеет второй транзистор 2SА1244 P=15Вт, следовательно, на нем будет наибольшее тепловыделение.

Из условий технического задания нам известно, что температура среды Тс равна 298 K. Из технических характеристик минимальное значение температуры Тmin равно 423 К.
ΔТс = 423 − 298 = 125 К.
Выбор системы охлаждения осуществляется по графику, характеризующих области целесообразного применения различных способов охлаждения. Эти графики построены для непрерывной работы РЭА и связывают два основных показателя: удельный тепловой поток и температура минимального перегрева компонентов.

На рисунке 3 приведены области целесообразного применения различных способов охлаждения в координатах ΔТс, lg q. Различают два типа областей: области, в которых можно рекомендовать применение определенного способа охлаждения, и области, в которых с примерно одинаковым успехом можно применять два или три способа охлаждения. Области первого типа не заштрихованы и относятся к следующим способам охлаждения: 1 – естественное воздушное; 3 – принудительное воздушное; 5 – принудительное жидкостное; 9 – принудительное испарительное. Области второго типа заштрихованы: 2 – возможно применение естественного и принудительного воздушного охлаждения; 4 – возможно применение принудительного воздушного и жидкостного охлаждения; 6 – возможно применение принудительного жидкостного и естественного испарительного охлаждения; 7 – возможно применение принудительного жидкостного, принудительного и естественного испарительного охлаждения; 8 – возможно применение естественного и принудительного испарительного охлаждения.

---

Рисунок 3 – График целесообразности теплового режима.
После расчета перегрева элемента относительно окружающей среды и десятичного логарифма плотности теплового потока, по рисунку (3) определяется область целесообразного применения различных способов охлаждения ЭС. Наши значения будут пересекаться в первой области: 1 – Естественное воздушное охлаждение.



Рисунок .4. – График вероятностные кривые для РЭА в герметичном корпусе при свободном воздушном охлаждении.

На рисунке (4) приведено семейство кривых, соответствующих вероятностям р=0,01-1,0. По этим графикам устанавливается вероятность, с которой тепловой режим будет соответствовать техническому заданию. Вероятностная оценка показывает, какое внимание должны уделять конструкторы данному способу обеспечения нормального теплового режима; при этом следует руководствоваться следующими правилами: если точка попадает в область р 0,8, можно остановиться на этом способе охлаждения; если точка попадает в область 0,8>р 0,3, можно выбрать этот способ охлаждения, но чем меньше р, тем больше внимания надо уделять анализу теплового режима в дальнейшем; при 0,З>р 0,1 не рекомендуется выбирать данный метод охлаждения; при 0,l>p 0,05 обеспечить нормальный тепловой режим данным способом удается очень редко. В нашем случае 1,0> p , следовательно, мы можем остановиться на нашем способе охлаждения.

2. 
   Расчет радиатора.
   

Проводить расчет радиатора буду для транзистора 2SA1244 на 15,0 Вт.



Рисунок 4 – Температурное поле радиатора – 1 и прибора – 2
На рисунке 4 схематически изображен радиатор 1 с закрепленным на нем прибором 2, внутри которого имеются источники мощностью Ф, разогревающие рабочую область прибора (например, область p-n-перехода) и его корпус до температур

---