Тепловые расчеты конструкций ЭВМ
Основные теплофизические задачи конструирования ЭВМ.
Тепловой режим многоблочной стойки с принудительной вентиляцией.
Схематично конструкция многоблочной стойки с вертикально ориентированными
субблоками с принудительной вентиляцией показана на рис.6.18. Каркас рамы и
блока сварной (сборный) из профилированной стали. Субблоки являются типовыми
элементами замены и вставляются в блок по металлическим или пластмассовым
направляющим. Субблоки бескаркасной конструкции без теплоотводящих шин .
Несущий элемент субблока - плата из стеклотекстолита. Интегральные схемы
установлены на субблоках с двух сторон. Таким образом, одно-рамная типовая
стойка относится к классу аппаратов кассетной конструкции в многоблочном
исполнении. Стационарная ЭВМ работает в нормальных условиях эксплуатации.
Охлаждающий воздух через коллектор 3 поступает в зазоры между платами
субблоков. ля предотвращения утечки воздуха в области стойки, не занятые
оборудованием, служат крышки 1 и перегородки 2.
Рис 6.18. Конструкция стойки с принудительной вентиляцией
Для получения тепловой модели проведем анализ и схематизацию процессов
теплообмена. Тепловая энергия, выделяемая ИС, передается принудительной
конвекцией протекающему воздуху, кондукцией и излучением плате субблока
и излучением другим интегральным схемам, имеющим более низкую температуру.
Тепловая энергия, воспринятая платами субблоков, может кондукцией передаваться
каркасу блока (панели) и далее корпусу стойки по элементам крепления и
монтажа, а также воздуху за счет вынужденной конвекции.
Первый путь передачи тепловой энергии состоит из последовательно включенных
тепловых сопротивлений прослойки между корпусом ИС и стеклотекстолитовой
платой субблока, самой платы, контакта края платы с направляющими блока,
металлических элементов каркаса блока, рамы и стойки с большим числом
механических контактов. Тепловое сопротивление платы субблока велико (λ=0,37 Вт/(м*К)
таблица 1, толщина δ=1,5...2 мм,δ<<Ly и Lz,где Ly и Lz - длинна и
высоты платы),значительно также тепловое сопротивление контакта край платы-
направляющие блока. В связи с этим частью тепловой энергии, отводимой поданному
пути, можно пренебречь. Будем считать, что тепловая энергия, воспринимаемая
платами субблоков, полностью передается воздуху принудительной конвекцией.
Область между двумя субблоками представляет собой симметрично обогреваемый
вертикальный канал ,в котором происходит теплообмен вынужденной конвекцией,
а вся стойка - совокупность идентичных последовательно и параллельно соединенных
каналов. Примем, что тепловая энергия, выделяемая в каждом канале, одинакова.
Так как каналы в типовой стойке имеют равные геометрические размеры, то можно
рассматривать процессы теплообмена в одном канале, высота которого равна
высоте рамы, т.е. сумме 2Lz и bz.
Рассмотрим задачу определения требуемого расхода охлаждающего воздуха для
обеспечения нормального теплового режима корпуса интегральной схемы при
принудительной конвекции. Режим движения воздуха при вынужденной конвекции -
турбулентный. Как отмечалось ранее, температурное поле в пакете плат
неравномерно как по высоте платы, так и направлении осей х и у. Однако при
принудительном охлаждении неравномерность по осям х и у незначительна.
Будем считать, что температура окружающего корпус интегральной схемы воз-
духа равна его температуре на выходе из центрального канала. Тогда между
корпусом ИС и окружающим его воздухом максимально допустимый
перегрев
Δλдоп=λис-λв.
Из (6.12) определим коэффициент теплообмена конвекцией (Вт/(м2*К):
αiв=Фi/(ΔθдопS), (6.68)
где Фi - количество тепловой энергии, выделяемой в одном канале; S - суммарная
площадь теплоотводящих поверхностей корпусов интегральных схем и плат субблоков,
образующих канал.
По (6.31) рассчитаем эффективную ширину канала bэф и из (6.18) -
среднее значение критерия Нуссельта:
__
Nuт=αiв*2bэф/λв. (6.69)
Так как режим движения воздуха турбулентный, то в зависимости от
выполнения условия Lk<=40bэф на основании (6.35) или (6.36) подсчитывается
критерий
__
Nu=NuтLk0,167/[1,165(40bэф)0,167], если Lk<=40bэф. (6.70)
или __
Nu=Nuт/(1+6,6bэф/Lk), если Lk<=40bэф. (6.71)
Из (6.37) определим значение критерия Рейнольдса
Re=(Nu/0,019)1,25 (6.72)
По (6.21) требуемая скорость движения воздуха в одном канале
v=Re*vв/(2bэф) (6.73)
Расход потребного воздуха в одном канале (м3/ч)
Qi=1,5*v*F*3600, (6.74)
где F живое сечение канала.
На одно-рамную стойку суммарный требуемый расход воздуха
Q =NkQi, (6.75)
где Nk - число каналов, т.е. промежутков между субблоками в стойке.