Разработка методики проектирования ребристо-пластинчатых радиаторов радиоэлектронных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Маниленко, Иван Николаевич

• Маниленко, Иван Николаевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маниленко, Иван Николаевич

Введение.

1 Анализ метода охлаждения электронной аппаратуры с использованием воздушных радиаторов.

1.1 Анализ методов охлаждения РЭС.

1.2 Анализ методов расчета ребристых радиаторов.

1.2.1 Расчет температурного поля пластины.

1.2.2 Расчет температурного поля ребра.

1.3 Тепловой расчет радиаторов на основе известных коэффициентов теплоотдачи.

1.4 Методы и средства численного анализа тепловых характеристик радиаторов.

1.4.1 Методы численного анализа и программные средства их реализации.

1.4.2 Особенности численного анализа радиаторов в СКЭА.

Выводы к главе 1.

2 Разработка алгоритмов для подсистемы автоматизированного анализа радиаторов.

2.1 Разработка алгоритма расчета ребристо-пластинчатых радиаторов.

2.1.1 Анализ особенностей выполнения расчетов ребристо-пластинчатых радиаторов в СКЭА.

2.1.2 Проектирование алгоритма численного анализа.

2.2 Синтез численно-аналитического метода для подсистемы САПР.

Выводы к главе 2.

3 Разработка подсистемы САПР инженерного анализа ребристо-пластинчатых радиаторов на основе численного моделирования.

3.1 Методика подготовки данных для инженерного анализа.

3.2 Разработка программы подсистемы САПР для анализа однотипных модулей.

Выводы к главе 3.

4 Экспериментальные исследования и результаты внедрения.

4.1 Исследование радиаторов воздушного охлаждения с гофрированной вставкой.

4.2 Тестирование математической модели и алгоритма расчета ребристо-пластинчатых радиаторов.

4.3 Результаты внедрения работы при расчете номенклатуры радиаторов воздушного охлаждения силовых модулей.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования ребристо-пластинчатых радиаторов радиоэлектронных устройств»

Современные промышленные изделия различного назначения невозможно представить без применения радиотехнических устройств. Предъявляемые к ним жесткие требования по стойкости к температурным воздействиям в значительной мере влияют также и на содержащиеся в них системы. Например, отклонение температуры от допустимых пределов может повлечь за собой необратимые структурные изменения. Кроме того, повышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ускоряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов, значительно изменяет параметры работы полупроводниковых приборов. Также различие в коэффициентах линейного расширения может привести к разрушению залитых компаундами конструкций, корпусов полупроводниковых приборов и их кристаллов, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений. Следовательно, повышенная температура значительно снижает надежность устройств. Так увеличение температуры полупроводникового прибора в рабочем диапазоне на 20% повышает интенсивность отказов в 3 раза [7].

Источником тепла в условиях современных технологий, часто выступают мощные полупроводниковые электрорадиоэлементы. По функциональному назначению эти приборы могут быть как цифровыми вычислительными устройствами, так и различного рода усилителями, элементами коммутации высоких напряжений и токов, элементами радиотрактов, дискретными элементами, выделяющими при работе значительную тепловую мощность. Для обеспечения теплового режима применяются различные методы. Выделяют воздушные, испарительные, жидкостные, кондуктивные, радиационные, специальные и комбинированные системы охлаждения. Теоретическая разработка применения различных устройств интенсификации теплообмена проводится как в России, так и за рубежом, в частности такие сведения приводятся в работах Дульнева Г.Н., Роткопа Л.Л.,

Чернышева А.А., Девдата П. Кулкарни, Лиора Бабани, В.М. Кейса, А.Л. Лондона, Покорного Е.Г., Щербина А.Г., Вихарева Л., Матусудана И и т.д. Несмотря на развитие технологий охлаждения, основным неотъемлемым элементом любой системы охлаждения земных объектов остается воздушный радиатор. В большинстве случаев качество выбора и исполнения радиатора влияет на показатели эффективности работы системы в целом.

Радиаторы воздушного охлаждения различают по следующим типам: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, жалюзийные (ребристо-пластинчатые), типа «краб», петельно-проволочные, фольгированные. По внешнему очертанию ребра подразделяются на прямые, кольцевые и неправильной формы. Использование того или иного типа радиатора обосновано рассеиваемой тепловой мощностью, требованиям к аэродинамике, размерам радиатора, а также экономической целесообразностью. В работах В.М. Кейса, А.Л. Лондона, Ворони Г.И., Дубровского Е.В. приводятся данные экспериментальных исследований теплообменников различной конфигурации в приложении к теплообменным аппаратам энергетической и химической промышленности, в статье [32] приводится сравнение методов производства и параметров радиаторов. На основе этих данных можно заключить, что наиболее эффективными радиаторами являются радиаторы с высокой плотностью ребер, а в особенности ребристо-пластинчатые. В них для интенсификации процессов теплообмена в приграничном слое газа создается турбулентное движение.

Для генерации микровихрей в каналы ребристо-пластинчатого теплообменника вводят элементы из тонколистового материала, изогнутые в различных направлениях. Изгиб и форма, а также материал конструкции определяют тепловую производительность системы. Аналитический расчет потоков газа и тепла в такой конструкции представляется затруднительным в связи с наличием нестационарных сложных вихревых процессов.

В источниках [15, 4, 8, 18, 26] предлагаются различные методики подбора таких радиаторов, которые базируются на экспериментально определенных оценках коэффициента теплоотдачи при различных условиях. Кроме того, большая часть методов расчета основывается на использовании известных коэффициентов теплоотдачи какого-либо его элемента или поверхности. Экспериментальное определение параметров современных радиаторов требует значительных затрат материальных, временных ресурсов, высокой квалификации исполнителей, сложного и дорогостоящего оборудования.

Фирмы-производители электронных компонентов, такие как Intel, Semikron, Mitsubishi Electric и др. предлагают некоторые стандартные решения для охлаждения поставляемых ими полупроводниковых приборов. Существуют также и программные продукты, позволяющие комплексно анализировать режимы их работы и охлаждение. Для расчета теплового режима полупроводниковых приборов поставляются также специализированные САПР, ориентированные на продукцию одной фирмы, например, SemiSel (Semicron) [44, 45]. Однако неизвестными остаются методы моделирования, заложенные в эти системы. Недостатком этих систем является невозможность использования каких-либо типов радиаторов, кроме имеющихся в каталоге. Это существенно снижает возможности разработки эффективных радиоэлектронных устройств с оригинальными параметрами.

В связи с растущей производительностью современных средств вычислительной техники широкое распространение получают также методы численного анализа (метод конечных элементов, метод конечных разностей). Реализуются эти методы в системах Ansys, COSMOS, Nastran, Асоника и др. В связи со сложностью и малой размерностью протекающих процессов по сравнению с полными размерами охладителей, зачастую становится невозможно провести анализ ребристо-пластинчатых радиаторов. Для адекватного отражения всех процессов возникает необходимость разбиения области задачи на чрезмерно большое число конечных элементов, что приводит к проблеме «больших чисел». Работа в программных средах анализа требует высокой квалификации и специальной подготовки, а их 6 стоимость остается недоступной для многих организаций. Это вызывает необходимость разработки и применения различных методов, позволяющих сократить машинное время и требования к квалификации персонала.

Таким образом, задача разработки математической модели, а также алгоритма и программы ускоренного анализа ограниченной номенклатуры радиаторов на основе данных численного моделирования является актуальной.

Цель работы: сокращение сроков и совершенствование процесса проектирования радиоэлектронных устройств, содержащих радиаторы сложной конфигурации, снижение затрат на расчет и испытания изделий на их основе.

Задачи исследования: анализ методов и средств расчета радиаторов для радиоэлектронных устройств; разработка алгоритма проведения поэтапного моделирования ребристо-пластинчатых радиаторов в СКЭА; разработка математического и алгоритмического обеспечения проектирования ребристо-пластинчатых радиаторов радиоэлектронных устройств; разработка метода расчета ребристо-пластинчатых радиаторов.

Методы исследований основаны на использовании методов автоматизированного проектирования, математического моделирования, численных методов, теории теплопроводности, а также теории эксперимента и теории точности.

Научная новизна работы: разработан алгоритм поэтапного расчета ребристо-пластинчатых радиаторов; уточнена математическая модель теплофизических параметров ребристо-пластинчатых радиаторов, разработана методика её применения при автоматизированном проектировании; 7 создана методика подготовки данных и инженерного расчета ребристо-пластинчатых радиаторов.

Практическая ценность: разработана методика инженерного расчета ребристо-пластинчатых радиаторов, позволяющая сократить время проектирования радиоэлектронных устройств на их основе; разработана программа расчета широкой номенклатуры однотипных радиаторов с использованием данных численного моделирования.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Маниленко, Иван Николаевич

Выводы к главе 4

1. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность предложенной методики расчета.

2. Экспериментально проверена программа автоматизированного расчета радиаторов на основе данных численного анализа.

3. Проведено тестирование методики расчета и сравнение результатов численного и аналитического методов.

4. Выполнена апробация и внедрение результатов работы на предприятие ФГУП ВНИИ «Сигнал», г. Ковров.

Заключение

1. Определены недостатки существующих аналитических моделей радиаторов сложной конфигурации.

2. Определена последовательность проведения анализа различных конструкций радиаторов в СКЭА Апэуз и Р1очу\УЪгк8, определены недостатки этих систем.

3. Разработаны алгоритмы поэтапного анализа радиаторов, в том числе решения прямой и обратной задач теплообмена с использованием в аналитических моделях данных численного эксперимента.

4. Разработана программа для среды МаШСас!, позволяющая автоматизировать процесс расчета большого числа однотипных радиаторов радиоэлектронных устройств, приведен пример её использования.

5. Экспериментально проверена программа автоматизированного расчета радиаторов на основе данных численного анализа.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного метода проектирования радиаторов сложной конструкции, математических моделей и алгоритмов дает возможность заключить, что их использование при проектировании радиоэлектронных устройств позволит сократить сроки работ, упростить и ускорить процесс расчёта характеристик новых типов радиаторов, снизить затраты на проведение испытаний.

Основной итог работы заключается в разработанной методике проектирования радиаторов радиоэлектронных средств сложной конструкции с использованием численно-аналитического подхода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маниленко, Иван Николаевич, 2012 год

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.-336 е., ил.

2. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / Норенков И. П. Издание второе, переработанное и дополненное. - Москва: Высшая школа, 1986. - 302 с.

3. Дульнев Г.Н., Тариовский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. JL: Энергия, 1971.-260 с.

4. Резников Г.В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1988.- 224 е., ил.

5. Роткоп JI.JL, Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. М., "Сов. радио", 1976, 236 с.

6. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова.- М.: Издательство МЭИ, 2003.- 312 с.

7. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники/ А.А. Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова.- М.: Энергия, 1980-216 с.

8. Devdatta P. Kulkarni, Praveen К. Namburu, Debendra К. Das Comparison Of Heat Transfer Rates Of Different Nanofluids On The Basis Of The Mouromtseff Number // Electronics Cooling. 2007. №9.

9. Lior Babani, Numerical and Experimental Investigation of MicroChannel Heat Sinks for Cooling Electronic Devices

10. Evan G. Colgan, R. J. Bezama, Michael Gaynes and Kenneth C. Marston, A Practical Implementation Of Silicon MicroChannel Coolers // Electronics Cooling. 2007. №11.

11. Methods for Evaluating Advanced Electronics Cooling Systems. www.ansys.com/assets/white-papers/wp-adv-cooling.pdf

12. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. Учебник для вузов. Серия: Информатика в техническом университете. Под ред. Шахнова В.А. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 528 с.:ил.

13. Дульнев Г. Н. и др. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов / Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфенов, А. В. Сигалов. М.: Высш. шк., 1990. — 207 с.

14. Дульнев Г.Н., Полыциков Б.В., Левбарг Е.С. Температурное поле пластины с локальным источником тепла и теплообменом на торцах// Вопросы радиоэлектроники. Сар. Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение РЭА. 1976/- Вып. 1.-е. 98- 102.

15. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры».-М.: Высш. шк., 1984. -247 е., ил.

16. Долин Г. Системы автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры/ Компьютер-Пресс, № 7, 1998, с. 286-293.

17. Ройзен Л.И. , Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. Под ред. В.Г. Фастовского. М.: Энергия, 1977 - 254 с.

18. Тепловые трубы с метало-волокнистыми капиллярными структурами. Семена Н.Г., Гершуни А.Н., Зарипов В.К. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1984.- 224с.

19. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб.- М.: Атомиздат, 1978.-256 с.

20. Жаднов, В. В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств / В. В.Жаднов, А. В. Сарафанов. М.: СОЛОН-Пресс, 2004 /«Библиотека инженера»/. - 464 с.

21. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования: Монография / В. В. Гольдин, В. Г. Журавский, В. И. Коваленок и др.; Под ред. А. В. Сарафанова. М.: радио и связь, 2003.-456 с.

22. Вайнер А. Л. Каскадные термоэлектрические источники холода. М.: «Сов. радио»-1976, 136 с.

23. Покорный Е.Г., Щербина А.Г. Расчет полупроводниковых охлаждающих устройств. Л.: «Наука", Ленинградское отд. 1969, 206 с.

24. Вихарев Л. Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе, или кратко о методах и средствах охлаждения РЭА// Силовая электроника. 2005. №4.

25. Вихарев Л. Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе, или кратко о методах и средствах охлаждения РЭА// Силовая электроника. 2006. № 1.

26. Юрген Шульц-Хардер, Валев С. В поисках идеального решения: жидкостное охлаждение в современных компактных корпусах высокой мощности // Силовая электроника. 2005. № 3.

27. Raghav Mahalingam, Sam Heffington, Lee Jones and Randy Williams Synthetic jets for forced air cooling of electronics // Electronics Cooling. 2007. №5.

28. Исламгазина Л. Применение различных материалов, обеспечивающих оптимальные тепловые режимы силовых101полупроводниковых приборов, в том числе модулей и твердотельных реле // Силовая электроника. 2005. № 3.

29. Верижиников С., Абрамов Н. Расчет параметров охладителей твердотельных реле переменного тока // Силовая электроника. 2006. № 3.

30. Madhusudan Iyengar Design For Manufacturability Of Forced Convection Air Cooled Fully Ducted Heat Sinks// Electronics Cooling. 2007. №9.

31. B.M. Кейс, A.JI. Лондон Компактные теплообменники, пер. с англ. под ред. Ю.В. Петровского, М.: «Энергия», 1967.-224с., ил.

32. Ворони Г.И., Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники. М.: «Машиностроение», 1973.- 96 е., ил.

33. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир 1981.

34. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах/ Под. Общ. Ред. Д. Г. Красковского.-М.:КомпьютерПресс,2002.-224С.

35. Кофанов Ю. Н., Потапов Ю. В., Сарафанов А. В. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры «АСОНИКА-Т» // EDA Express М.: Изд-во "ОАО Родник Софт", 2001. №4. С. 17-20.

36. Сарафанов А. В. Исследование тепловых характеристик РЭС методом математического моделирования // ED А Express М.: Изд-во "ОАО Родник Софт", 2002. № 6. С. 6-9.

37. АСОНИКА-Т (http://www.asonika.ru/index.php?s=as-t)

38. Журнал ChipNews #6 2001 г. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры "АСОНИКА-Т".

39. Зарубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности.— М. : Энергоатомиздат, 1983 .— 326 с. : ил .

40. Фукалов P. Melcosim- эффективный инструмент для вычисления потерь и теплового расчета // Силовая электроника. 2006. № 4.

41. Колпаков А. Полезный софт от компании Semicron // Силовая электроника. 2006. № 1.

42. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р. Г. Варламова-М.:Сов. Радио, 1980.-480с.

43. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ Авторы: Альмовский А. А., Собачкин А. А., Одинцов Е. В., Харитонович А. И., Понамарев Н. Б. СПб.: БХВ- Петербург, 2005-800с.: ил.

44. Норенков И. П. Системы автоматизированного проектирования. Кн. 1. Принципы построения и структура. М.: Высш. шк., 1987.

45. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высш.шк., 1990.

46. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры/ Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, A.B. Сарафанов, С.И. Трегубов, A.C. Шалумов A.C. М.: Радио и связь, 2000. - 389с.

47. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах/ Под. Общ. Ред. Д. Г. Красковского.-М.:КомпьютерПресс,2002.-224С.

48. Скатетцкий В.Г. Математическое моделирование физико-химических процессов. Минск: Высшая. Шк., 1981.-144С.

49. Маниленко И.Н., Евграфов В.В. Проектирование устройств конвекционного теплообмена электронных средств на основе численно-аналитического метода // Журнал «Проектирование и технологии электронных средств» 2009 №4, стр. 6-10.

50. Маниленко И.Н. Оценка эффективности радиаторов воздушного охлаждения электроники // Труды международного симпозиума «Надежность и качество», г. Пенза, 15 мая 2011, ПТУ, т. 2, стр. 188-189.

51. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов тепло-массообмена.- М.: Наука, 1984.-288 с.

52. В. М. Вержбицкий. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Высшая школа 2001.

53. Маниленко И.Н., Талицкий E.H., Евграфов В.В. Применение алгоритма расчета ребристо-пластинчатых радиаторов электронных средств численно-аналитическим методом // Журнал «Проектирование и технологии электронных средств» 2011 №2, стр. 31-34.

54. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968.

55. Печенегов, Ю. Я. Методика расчёта радиаторов с петельно-проволочными оребрением при естественной конвекции / Ю. Я. Печенегов // Изв. вузов. Энергетика. 1982. - №2. - С. 46-52.

56. ОСТ 4Г0.012.032. Аппаратура радиоэлектронная. Блоки на микросборках, микросхемах и дискретных электрорадиоэлементах. Методы расчета тепловых режимов. М.: Издательство стандартов. - 1980.

57. ГОСТ 25293-82 Охладители воздушных систем охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Общие технические условия.

58. ТУ 16-729.111-78 Охладители серии OA и ОМ.

59. Петухов Б.С. Вопросы теплообмена: Избранные труды / Отв.ред.В.А.Кириллин;АН СССР.Отд.физ.-техн.проблем энергетики .— М. : Наука, 1987 —278 с.: ил.

60. Бабенко К. И. Основы численного анализа.-М.: -Наука, 1986

61. Амосов A.A. Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994.105

62. Волков Б. А. Численные методы.-М.:Наука, 1979.

63. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. — М.: Мир 1981.

64. Турчак Л. И. Основы численных методов.-М.: Наука, 1987.

65. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н. Зуева; Под ред. В.Ш. Барбакадзе. М.: Стройиздат, 1993. - 664 с.

66. Дегтярев Ю. И. Методы оптимизации: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Сов. Радио, 1980.-272. с

67. Пшеничный Б. Н. Необходимые условия экстремума. М.: Наука, 1969.-151 с.

68. Моисеев Н. Н. Методы оптимизации. М.; ВЦ АН СССР, 1968.100. с.

69. Саати Т. Целочисленные методы оптимизации и связанные с ними экстремальные проблемы: Пер. с англ. В. Н. Веселова./ Под ред. И. А. Ушакова. -М.: Мир, 1973. -302 с.

70. Гель, П. П. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры / П. П. Гель, Н. К. Иванов-Есипович. Л.: Энергоатомиздат, 1984.- 536 с.

71. Адлер Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976.

72. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента.

73. Гилл Ф. , Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация.-М.: Наука, 1967.

74. Брянский Л. Н., Дойников А. С. Краткий справочник метролога: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1991. - 79 С.

75. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 С.

76. Саутин С. Н., Пунин А. Е. Мир компьютеров и химическая технология. Л.: Химия, 1991. - 144 С.

77. Коваленко И. Н., Филлипова А. А. Теория вероятностей и математическая статистика.- М.: Высшая школа, 1973.

78. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.-816.-18ВК5-9221-0707-0.

79. О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю.Пивоваров и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств.- М.: Высшая школа, 2000.- 479 с.

80. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Издательство Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1991. —304 с.