Тепловые расчеты конструкций ЭВМ

Основные теплофизические задачи конструирования ЭВМ.

Определение тепловых сопротивлений несущих конструкций.

Благодаря конструктивной унификации элементов ЭВМ типовые конструкции характеризуются регулярностью в одном, двух или трех направлениях. Метод определения тепловых сопротивлений и коэффициентов теплопроводности таких конструкций изложен в [1]. В типовых конструкциях можно выделить некоторый элементарный объем (ячейку),повторяя который в соответствующих направлениях, получим исходную конструкцию. Такие конструкции можно считать анизотропными телами, имеющими неодинаковые коэффициенты теплопроводности по основным геометрическим направлениям, которые равны соответствующим коэффициентам элементарной ячейки. Такой подход позволяет найти тепловое сопротивление всей конструкции. При поверочных расчетах температуры элемента конструкции возникает задача определения теплового сопротивления от этого элемента до стока теплоты. Рассмотрим обе постановки задачи. Тепловое сопротивление конструкции как однородного анизотропного тела. Определим тепловые сопротивления пакета субблоков (рис 6.8) в следующих предположениях: сквозная циркуляция воздуха между субблоками отсутствует, излучением в тепловых зазорах можно пренебречь. Таким образом, тепловая энергия передается кондукцией в твердых телах (элементах конструкции субблока) и в воздушных зазорах. Рис 6.8. Пакет субблоков. На рис 6.9 показаны основные части элементарной ячейки: 1 - часть платы субблока ; 2 - зазор между платой субблока и корпусом ИС, заполненный теплопроводящим материалом; 3 - корпус ИС; 4,5,6,7 - воздушные зазоры. Рис 6.9. Элементарная ячейка пакета субблоков. а) б) в) Рис 6.10. Схемы соединения тепловых сопротивлений частей элементарной ячейки по осям X (а) Y (б) и Z (в). Схемы соединения тепловых сопротивлений частей элементарной ячейки в направлении осей x,y,z соответственно показаны на рис 6.10.Результирующие значения тепловых сопротивлений (проводимостей) элементарной ячейки: σяx1x7x+1/(R2,3x+R5x)+1/(R4x+R6x); σяy1y7y+1/(R2,3y+R4y)+1/(R5y+R6y); (6.55) Rяz=R1z+R7z+1/[1/(R2z+R3z)+σ4z5z6z]; где R2,3x(y)=R2x(y)R3x(y)/(R2x(y)+R3x(y)). На основании (6.8) тепловые сопротивления или проводимости (например, по оси x) элементарной ячейки и ее частей будут: σяxяx*hя*bя/lя; σ1xп*hп*bя/lя; R2x=lм/(λ3*h3*bм); R3x=lм/(λм*hм*bм); (6.56) R4x=lм/[λв(h3+hм)(bя-bм)]; R5x=(lя-lм)/[λв(h3-hм)bм]; R6=(lя-lм)/[λв(h3+hм)(bя-bм)]; σ7xв*h7*bя/lя, где λяx - эффективный коэффициент теплопроводности элементарной ячейки по оси х; λп3м и λв - соответственно коэффициенты теплопроводности материала печатной платы, материала, заполняющего зазор между платой и корпусом ИС, корпуса ИС и воздуха (геометрические размеры элементарной ячейки и ее частей ясны из рис 6.9).Так как эффективные коэффициенты теплопроводности пакета субблоков по осям x,y,z равны соответствующим коэффициентам элементарной ячейки, то с учетом геометрических размеров пакета субблоков (см. рис.6.8) тепловые сопротивления Rnx=Rяx*nx/(ny*nz); Rny=Rяy*ny/(nx*nz); Rnz=Rяz*nz/(nx*ny), (6.57) где nx=lп.с/lя; ny=bп.с/bя; nz=hп.с/hя; - число элементарных ячеек пакете субблоков в направлении осей x,y,z. Тепловое сопротивление от интегральной схемы к корпусу блока. Схематично субблок с теплопроводящими шинами ,который вставляется по направляющим в блок, показан на рис 6.11,а.Определим тепловое сопротивление при передаче тепловой энергии от корпуса ИС к блоку по твердым частям конструкции субблока (конвекцию и излучение учитывать не будем).Выделим элементы конструкции, тепловые сопротивления которых участвуют в передаче энергии, и составим тепловую схему. Зазор между корпусом ИС и теплопроводящей шиной заполнен теплопроводящим материалом (тепловое сопротивление Rэ).Далее тепловая энергия передается по теплопроводящей шине (тепловые сопротивления Rш1 и Rш2). Кондукцией по печатной плате пренебрегаем. От теплопроводящей шины тепловая энергия передается через тепловые сопротивления Rk1 контакта шина-каркас субблока, Rст стенки каркаса субблока и Rk2 контакта каркас субблока - корпус блока. Схема соединения тепловых сопротивлений изображена на рис.6.11,б. Обозначим R=Rk1+Rст+Rk2,тогда тепловая схема будет иметь вид, представленный на рис.6.11,в.Результирующее тепловое сопротивление R =R3+(Rш1+R)(Rш1+Rш2+2R). (6.58) 1-корпус ИС; 2-зазор между ИС и шиной; 3-теплопроводящая шина; 4-плата субблок 5-каркас субблока; 6-направляющая субблока a) б) в) Рис 6.11. Схематичное изображение субблока с теплопроводящими шинами (а) и схемы соединения тепловых сопротивлений его элементов (б,в). Тепловые сопротивления R3,Rш1,Rш2 и Rст определяются по (6.8) ,а Rk1 и Rk2 по (6.11) : R3=h3/(λ3*Sk); Rш1=l1/(λш*Sш); Rш2=l2/(λш*Sш); Rст=bk/(λст*Sст); Rk1=1/(αk1- *Sk1); Rk2=1/(αk2*Sk2),где λ3ш и λст - коэффициенты теплопроводности материала, заполняющего зазор, теплопроводящей шины и каркаса субблока; λk1 и λk2 - коэффициенты теплопередачи контактов шина-каркас субблока и каркас субблока-корпус блока; Sk - площадь зазора между корпусом ИС и шиной; Sш - площадь поперечного сечения теплопроводящей шины; Sст - площадь сечения каркаса субблока в направлении, ортогональном к тепловому потоку; Sk1,Sk2 - половина площади контактов шина - каркас субблока, каркас субблока - корпус блока.