научная статья по теме ДВА ФАКТОРА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕРМЕТИЧНЫХ БЛОКАХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ДВА ФАКТОРА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕРМЕТИЧНЫХ БЛОКАХ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 5, с. 390-398

ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ

УДК 532:536.2

ДВА ФАКТОРА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕРМЕТИЧНЫХ БЛОКАХ © 2014 г. С. Г. Мартюшев1, М. А. Шеремет1, 2

1Томский государственный университет 2Томский политехнический университет E-mail: Michael-sher@yandex.ru Поступила в редакцию 29.05.2013 г.

Проведен численный анализ нестационарных режимов сложного теплопереноса в герметичном элементе радиоэлектронной аппаратуры или электронной техники (РЭА или ЭТ) с теплопроводными стенками конечной толщины при наличии локального источника энергии с постоянной плотностью объемного тепловыделения в условиях конвективного охлаждения со стороны внешней среды. В стационарном режиме получены распределения изолиний функции тока и температуры, характеризующие основные закономерности исследуемого процесса. Показаны масштабы влияния коэффициента теплоотдачи на внешних поверхностях стенок и степени черноты материалов ограждающей твердой оболочки и источника энергии на интенсивность охлаждения тепловыделяющего элемента.

DOI: 10.7868/S0544126914050056

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях развитие элементной базы РЭА или ЭТ неразрывно связано с использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Такая тенденция отражается в резком увеличении удельной мощности рассеяния, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры внутри изделия [1—3].

Необходимо отметить, что повышение температуры микросхем и радиоэлементов электронных изделий в рабочем диапазоне на 20% повышает интенсивность отказов всего устройства в 3 раза. При этом отклонение температуры от рабочих диапазонов снижает диэлектрические свойства материалов, а также ускоряет коррозию конструкционных материалов [4, 5].

В настоящее время наиболее эффективным методом анализа возможностей разрабатываемых активных [6—9] и пассивных [10—13] систем охлаждения является использование современных подходов вычислительной механики жидкости и газа. Так, например, в результате математического моделирования ламинарных [6] и турбулентных [7] режимов смешанной конвекции в вертикальном [7] и наклонном [6] каналах с источниками энергии постоянной температуры установлено, что увеличение скорости внешнего потока и расстояния между источниками тепла приводит к интенсификации теплоотвода, а наибольшая интенсив-

ность охлаждения элементов реализуется при угле наклона в 45°. В [8] на основе конечно-элементного коммерческого программного кода БГОАР, предназначенного для компьютерного моделирования гидродинамики и процессов тепломассопе-реноса в областях различной геометрии, было показано, что использование в канале колеблющейся вблизи тепловыделяющих элементов пластины малых размеров приводит к интенсификации процессов охлаждения, вследствие увеличения локального коэффициента теплоотдачи на 70%.

Технологически сложными и в то же время наиболее актуальными методами охлаждения тепловыделяющих элементов являются пассивные системы, основанные на эффективном использовании всех трех механизмов переноса энергии [14, 15]. Детальный анализ нестационарных режимов конвективно-кондуктивного теп-лопереноса в герметичных областях с локальным источником энергии был проведен ранее [10—13]. Показано существенное влияние как кондуктив-ной теплопередачи в элементах твердого материала на интенсификацию конвективного теплопереноса в воздушной полости, так и мощности источника энергии на формирование термогидродинамических режимов. Продемонстрирована возможность создания технологии регулирования внутренних термогидродинамических структур, а соответственно и тепловых режимов, за счет оптимального выбора материала ограждающих конструкций и термических условий на внешнем контуре устройства.

Цель настоящей работы — математическое моделирование нестационарного сложного тепло-переноса в замкнутой области (типичный узел РЭА или ЭТ) с теплопроводными стенками конечной толщины и при наличии локального источника тепловыделения постоянной мощности в условиях внешнего конвективного охлаждения анализируемого объекта. Данная работа является логичным развитием исследований пассивных систем охлаждения РЭА или ЭТ [10—13] и посвящена анализу двух механизмов, интенсифицирующих теплоотвод от источника энергии, расположенного в герметичной полости. Первый механизм обусловлен теплофизическими характеристиками внешнего обтекающего полость потока и отражается в коэффициенте теплоотдачи на поверхности анализируемого объекта. Второй механизм представляется наиболее интересным и неожиданным и связан с изменением степени черноты внутренних поверхностей стенок полости и самого источника энергии.

Ь

Ь

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Моделируется нестационарный процесс теп-лопереноса в малом по размерам герметичном блоке РЭА или ЭТ с локальным источником постоянной плотности объемного тепловыделения.

Исследуемая область решения состоит из твердых стенок (1 на рис. 1) и воздуха, заполняющего внутреннюю полость (2 на рис. 1). Источник энергии (3 на рис. 1) представляет собой элемент твердого материала с постоянной плотностью объемного тепловыделения qv. На всех внешних границах анализируемого объекта реализуются условия конвективного теплообмена с окружающей средой, моделирующие охлаждение герметичного блока. Перенос энергии осуществляется механизмами естественной конвекции и теплового излучения внутри диатермичной воздушной полости и теплопроводностью в ограждающих твердых стенках и тепловыделяющем элементе.

Предполагается, что теплофизические характеристики материала твердых элементов и воздуха не зависят от температуры, а режим течения является ламинарным. Воздух считается теплопроводной, ньютоновской жидкостью, удовлетворяющей приближению Буссинеска. Внутренние поверхности твердых стенок считаются диф-фузно-серыми, а отраженное излучение является диффузным и равномерно распределенным по каждой поверхности замкнутой области решения.

Необходимо отметить, что приближение о серости поверхностей будет корректным в тех случаях, когда собственное излучение поверхности и падающее на нее излучение ограничены одним и тем же диапазоном длин волн, а спектральная ис-

Рис. 1. Область решения: 1 — твердые стенки; 2 — воздушная полость; 3 — источник тепловыделения.

пускательная способность поверхности сравнительно мало изменяется в этом диапазоне [16, 17]. Однако, если диапазоны длин волн, соответствующие испускаемому и падающему излучению, различны, предположение о серости поверхностей может привести к серьезной ошибке [16, 17]. В настоящей работе предполагается, что собственное излучение поверхности и падающее на нее излучение ограничены одним диапазоном длин волн.

Процесс переноса тепла в анализируемом объекте (рис. 1) описывается системой нестационарных двумерных уравнений конвекции Обербека— Буссинеска [11] в воздушной полости с учетом поверхностного излучения [18, 19], а также нестационарным двумерным уравнением теплопроводности для элементов твердого материала [11, 18, 19].

Математическая модель сформулирована в размерных переменных "функция тока—завихренность—температура" [11]:

в воздушной полости:

д? ду дх

д^д® дх ду

-,2 -,2 \ д ю + д ®

дх2 ду1

+ £ур

У

дТа дх

д V д V

-^ +-тт = -ю,

дх ду

дТ + дждТ -дждТ = а

д? ду дх дх ду

гд Т

д Тл

дх ду

(1) (2) (3)

У

1

й

2

1

I

1

Н

х

0

1

3

в источнике энергии:

дП

дг

_ а

Щ

дх

д!Гмл

ду

Чу

Р

в твердых стенках:

Т

дг

гд т

д тЛ

дх ду

(4)

(5)

здесь х, у — координаты декартовой системы координат, м; ? — время, с; у — функции тока, м2/с; ю — завихренность скорости, 1/с; V — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; gy — составляющая ускорения силы тяжести в проекции на ось у (gx = 0), м/с2; в — температурный коэффициент объемного расширения, 1/К; Та — температура в полости, К; ТЬ8 — температура источника энергии, К; Т„ — температура ограждающих твердых стенок, К; аа — коэффициент температуропроводности воздуха, м/с2; аЬ8 — коэффициент температуропроводности материала источника энергии, м/с2; а„ — коэффициент температуропроводности материала твердых стенок, м/с2; чу — плотность объемного тепловыделения в источнике

тепла, Вт/м3; рЬ8 — плотность материала источника тепловыделения, кг/м3; СрЫ — теплоемкость материала источника тепловыделения, Дж/(кг К).

Начальные и граничные условия для сформулированных уравнений математической физики (1)—(5) имеют вид:

Начальное условие: у (х, у, 0) = 0, ю(х, у, 0) = 0, Т (х, у, 0) = Х0.

Граничные условия:

♦ на всех внешних границах реализуются условия конвективного теплообмена

при х = 0: -А,

дХк

дх

«1 (Те - Т„);

при х = Ь + 2^: А,

дх

а1 (Те - Т„);

дТ„

при у = 0: -X= а2(Те -Т„);

ду

дТ

при у = Ь + 2± X„дТ„ = а1 (Те - Т„);

ду

на внутренних границах материала твердых стенок и воздуха, параллельных оси Ох:

¥ = 0, ^ = 0, Т„ = Та, -А„ ^ = -К + ^

ду ду ду

на внутренних границах материала твердых стенок и воздуха, параллельных оси Оу:

у = 0, ^ = 0, Т„ = Та, -А„ ^ = -К + ^

дх дх дх

на внутренней границе материала источника энергии и воздуха, параллельной оси Ох:

¥ = 0, д^ = 0, ТЬ8 = Та, Т = -К + чгаа; ду ду ду

на внутренних границах материала источника энергии и воздуха, параллельных оси Оу:

У = 0, ^ = 0, ТЬ8 = Та, -АЬ8 Т = -Ха + Чгаа; дх дх дх

на внутренней границе материалов твердой стенки и источника энергии, параллельной оси Ох:

дТ дТ

7, __Л ^ ¿8 _ Л „ ■

— —Л — —Л

ду ду

здесь X „ — коэффициент теплопроводности материала твердой стенки, Вт/(м К); X ¿8 — коэффициент теплопроводности материала источника энергии, Вт/(м К); X а — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К); чгай — плотность потока результирующего излучения соответствующей поверхности внутри воздушной полости, Вт/м2.

Для определения плотности потока результирующего излучения дгай применялся метод сальдо в форме Поляка [17—19], который основан на реализации следующих двух разностных уравнений:

N

Ягай,к = - ^Fk-jQeff,j, (6)

1 =1

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком