Тепловые расчеты конструкций ЭВМ

Теплообмен в ЭВМ и способы передачи тепловой энергии.

Основные понятия теплообмена.

Увеличение плотности упаковки компонентов и скорости переключения элементной базы приводят к росту удельной мощности рассеяния. Значительная часть потребляемой активными элементами ЭВМ электрической энергии превращается в тепловую, что повышает температуру конструкции. Большинство элементов конструкции имеют температурно-зависимые свойства. Колебания температуры конструкции приводят к изменению размеров деталей. В деталях из пластмасс повышение температуры возрастанию электропроводности, что создает утечки тока через них. В магнитных материалах при высоких температурах снижается индуктивность насыщения в сердечниках, а при достижении точки Кюри магнитные свойства вообще пропадают. В полупроводниках при колебаниях температуры изменяется плотность и подвижность носителей тока. Резисторы различных типов имеют как положительный так и отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При высоких значениях температур в полупроводниковых структурах происходят химические реакции, способные привести и х разрушению. Например в интегральных схемах на МДП-структурах при θ=673-773 К алюминий поглощается двуокисью кремния, что разрушает внутренние соединения. Даже в диапазонах рабочих темпера- тур токи утечки через малые дефекты в окисле кремния могут вызвать локальный нагрев,в результате чего температура поднимается до таких значений, при которых реакция поглощения усилится и разрушит пленку окисла. Температурный или тепловой режим, т.е. пространственно-временное изменение температуры, влияет на помехоустойчивость и интенсивность отказов элементов (помехоустойчивость уменьшается с увеличением температурного градиента между кристаллами, а интенсивность отказов увеличивается при возрастании абсолютной температуры).Будем рассматривать только стационарный тепловой режим, т.е. такой, при котором температура во всех элементах конструкции не изменяется во времени. Для обеспечения необходимых уровней надежности и помехозащищенности разработчиками устанавливается максимально допустимая рабочая температура ком- понентов ЭВМ. Выделяемая элементами ЭВМ тепловая энергия может передаваться другим элементам конструкции и отводиться в окружающую среду. Элементы, выделяющие тепловую энергию, называются источниками, поглощающие ее - стоками, а сам процесс - теплообменом. Теплообмен может осуществляться кондукцией (теплопроводностью),естественной и принудительной конвекцией и излучением . Тепловой режим конструкции ЭВМ зависит от температуры окружающей среды, мощности источников и стоков тепловой энергии и принудительной системы охлаждения, а также условий теплообмена, к которым относятся геометрические параметры и теплофизические свойства элементов конструкции. Конструкция ЭВМ должна обеспечивать нормальный тепловой режим элементов. Тепловой режим называется нормальным, если температуры элементов конструкции равны или ниже допустимых значений по техническому заданию. Обеспечение необходимых температурных условий достигается при проектировании выбором системы охлаждения как для ЭВМ и системы в целом, так и для отдельных элементов конструкции. В общем случае перенос тепловой энергии Фi от изотермической поверхности, имеющей температуру θi,к изотермической поверхности с температурой θj описывается выражением θi-θj=Fi,j*Фi или θj-θi=Fj,i*Фj, (6.1) где θi-θj,θj-θi - температурный напор; Fi,j - коэффициент пропорциональности или тепловой коэффициент (Fi,j=Fj,i),причем структура коэффициента Fi,j зависит от существующих в каждом конкретном случае способов переноса тепловой энергии.