Бобылкин И.С. Шуваев В.А. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИККОНСТРУКЦИЙ РЭС Дляповышения эффективности конструкторского проектирования РЭС на основе методов анализа, прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик необходимо уже на ранних стадиях разработки правильно выбрать систему охлаждения(СО). Которая должна обеспечить требуемый тепловой режим. Для решения подобной задачи предложена структурно-функциональная модель СО и обеспечения тепловых режимов РЭС в виде графа, котораяотражает возможные пути передачи тепловой энергии от источников тепла в окружающую среду, что представляет возможность решить задачу оптимального распределения тепловых потоков внутри конкретной конструкции РЭС. Данная задача возникает вследствие того, что в реальных конструкциях современных РЭС существует множество путей, в том числе параллельных, протекания тепловых потоков, в качестве которых выступают как специальные устройства теплоотвода, или выделенные (используемые) области (например, воздушные каналы между модулями), так и элементы конструкции (рамки, шасси, корпуса, элементы электрической коммутации, воздушные и изолирующие прослойки и т.д.). При этом в комплексе во многих случаях действуют все три вида теплопередачи (конвекция, излучение, кондукция) /1-3/. Поэтому появляется задача оптимального использования имеющихся и потенциальных путей передачи тепловых потоков, а также определения максимального количества тепловой энергии, которая может быть отведена в окружающую среду для данной конструкции, в заданных условиях эксплуатации и требованиях к нормальному тепловому режиму. Подобная задача может быть сведена к классу сетевых задач, в частности к задаче о максимальном потоке /4/. При представлении конструкции РЭС даже наиболее простой моделью «нагретая зона-корпус», граф, моделирующий систему охлаждения и теплопередачи, имеетвид, показанный на рисунке 1. Здесь вершина X1 соответствует нагретой зоне, являющейся источником теплового потока Р; X2 –воздушный зазор между НЗ и корпусом; X3- корпус; X4- охлаждающая среда- сток тепла. Индексы дуг соответствуют возможным механизмам теплопередачи: КВ- конвекция, КД- кондукция, ИЛ- излучение. Рисунок 1 - Графовая модель системы теплопередачи для тепловой модели «нагретая зона- корпус» В качестве пропускной способности дуги принимаем максимально возможную величину теплового потока (мощности), который может проходить с учетом конкретного механизма теплопередачи, заданных условий эксплуатации и размерах конструктивных составляющих РЭС: Рmaxij=σmaxij(Ti-Tj),(1) σmaxij=αmaxij⋅Sij ,(2) где σmaxij- максимальное значение тепловой проводимости между i-м и j- м телом (частями конструкции);Ti, Tj- температуры частей;Sij – площадь поверхностей, участвующая в теплообмене между телами i и j ;αmaxij- максимально возможное значение коэффициента теплообмена в заданных условиях эксплуатации РЭС. Предельное значение коэффициентов αij обусловлено их зависимостью от температурных условий эксплуатации, связанных с разностью предельно допустимой величины рабочей температуры РЭС, определяемой термостойкостью элементной базы (125-150 °С), и температуры окружающей среды, определяемой требованиями ТЗ. Так значение коэффициента теплообмена излучением определяется /1,5/ α л ij ( ) (T / 100 )4 − T / 100 4 j i = 5, 67ε прφij , (3) Ti − T j где εпр- приведенный коэффициент черноты тел i и j;ϕij- угловой коэффициент излучения. Коэффициенты теплообмена конвекцией вычисляются /1,2/ в зависимости от ориентации поверхностей и выполнения условия Ti-Tj≤(840/L)3,(4) где Tj- температура среды (воздуха, жидкости);L- определяющий размер /1-3/. При выполнении условия используется выражение /1,2/ Ti − T j L 0,25 α к ij = к ⋅ A2, (5) иначе используется другое α к ij = к (Ti − T j ) 1/ 3 ⋅ A3, где к=1; 1,3; 0,7- коэффициент для вертикальной, верхней и нижней поверхностей;А2, А3- коэффициенты, зависящие от теплофизических параметров среды при температуре 0,5(Ti+Tj). Коэффициент теплообмена кондукцией связан с теплофизическим и геометрическим параметрами механических конструкций РЭС и определяется /2/ αijкд=λк/l,(6) где λк- коэффициент теплопроводности материала конструкции, служащей проводником теплового потока;l- длина пути теплового потока. Анализ выражений (1)-(6) показывает, что αij и Рij ограничены по величине вследствие конечной разности (Ti-Tj), обусловленный требованиями ТЗ, а также массовыми и габаритными ограничениями, применяемыми материалами (для кондукции). Тогда задачи определения наибольшей величины теплового потока, передаваемого в окружающую среду с помощью данной СО от конкретной конструкции (что соответствует максимальной тепловой мощности устройств, реализуемых в таком конструктиве), а также выявления наиболее рациональных путей теплопередачи может быть сформулирована как задача о максимальном потоке /4/. Источником является нагретая зона, стоком-окружающая среда, условие задачи имеет вид: Р→max,(7) −P , i = S P − P = ∑ ij ∑ ik 0, j ≠ S, j ≠ t , (8) i k P , j = t 0≤Рij≤ Рijmax,(9) При определенных условиях эксплуатации и параметрах конструкции значения Рijжестко связаны с αij. Для решения такой задачи применяется алгоритм расстановки пометок (алгоритм Форда и Фалкерсона) /4/. К этой задаче сводитсяи случай применения более детальных тепловых моделей РЭС и ОС, где учитываются различные источники тепловыделения (до отдельных компонентов) и стоки тепла, т.е. когда рассматривается задача в форме задачи о потоке в сети с несколькими источниками и стоками /4/. Решение рассмотренной задачи позволяет оптимизировать конструкцию, структуру и параметры СО в целях повышения эффективности теплоотвода, принять меры по интенсификации теплопередачи по определенным путям. ЛИТЕРАТУРА 1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре / Г.Н. Дульнев. М.: Высш. шк., 1984.247 с. 2. Дульнев Г.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры / Г.Н. Дульнев, Н.Н. Тарновский. Л.: Энергия, 1977.248 с. 3. Дульнев Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронныхаппаратах / Г.Н. Дульнев, Э.М. Семяшкин. Л.: Энергия, 1968. 360 с. 4. Кристофидес Н. Теория графов / Н. Кристофидес. М.: Мир, 1978. 432 с. 5. Роткоп Л.Л. Обеспечения теплового режима при конструирование РЭА / Л.Л.Роткоп, Ю.Е. Спокойный. М.: Совр. радио, 1976. 232 с.