Определение тепловых сопротивлений разъемных соединений электронных приборов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ В. Ю. Сушко, В. А. Кораблев, Д.С. Богомолов
Рассмотрено определение тепловых сопротивлений электрических соединителей в электронных приборах экспериментальным и расчетным путем. Полученные результаты могут быть использованы для расчета тепловых потерь и для задания граничных условий при тепловых расчетах.
Введение
В современных электронных приборах (ЭП) соединение печатных плат и других элементов выполняется с помощью электрических соединителей СНП (соединители электрические низкочастотные прямоугольные), изображенных на рис. 1, или их зарубежных аналогов ВШ41 612. При анализе теплового режима приборов необходимо учитывать их тепловые сопротивления, однако эти величины в их технических характеристиках не приводятся.
Рис. 1. Внешний вид соединителей СНП58 (фото)
В разъемных соединениях тепловой поток проходит через поверхность соприкосновения твердых тел, которые не бывают абсолютно гладкими вследствие шероховатости или волнистости поверхности, что создает сложности при его расчете. В результате часть теплового потока проходит через зону фактического контакта, а часть — через среду, заполняющую пространство между контактами [1]. Вопросам определения тепловых потоков в зоне контакта посвящены работы [1−3], но тепловое сопротивление разъемного соединения определяется не только сопротивлением области контакта, но и остальными его частями. В работе [4], посвященной расчету и экспериментальному определению теплового сопротивления болтовых соединений, контактное тепловое сопротивление вообще не учитывается.
К разъемным соединениям в ЭП относятся и электрические соединители (ЭС), также называемые электрическими разъемами. Они предназначены для обеспечения разъемного электрического соединения и обычно состоят из двух частей — вилки и розетки. Однако Э С не рассматриваются ни в вышеперечисленных работах, ни в работах, рассматривающих тепловые процессы в электрических контактах [5−6]. Тепловые со-
противления ЭС также не нормируются их производителями, поэтому необходимо как их экспериментальное исследование, так и создание и проверка методик расчета их теплового сопротивления.
Методика расчета теплового сопротивления электрического соединителя
Методика расчета теплового сопротивления штыревого ЭС была ранее описана в [7]. Тепловое сопротивление ЭС, Кс, представляется как совокупность параллельных
тепловых сопротивлений каждого из путей, по которому через него проходит тепловой поток, а именно тепловых сопротивлений следующих путей:
• Кэ — через каждый электрический контакт вилки, область его соединения с контактом розетки и контакт розетки-
• Ккорп — через корпуса вилки и розетки и воздушный зазор между ними-
• Ккарк — через каркас ЭС и область контакта его отдельных частей.
Тепловое сопротивление Якорп обычно велико по сравнению с Кэ и Ккарк, поэтому им пренебрегают. Во многих ЭС отсутствует металлический каркас, тогда Кс — N-Яэ, где N — число контактов ЭС. Тепловое сопротивление Кэ складывается из двух составляющих — теплового сопротивления области контакта вилки и розетки Кэ1 и теплового сопротивления электрических контактов вне области контакта Кэ2.
В работе [7] показано, что тепловое сопротивление области контакта можно вычислить по формуле
1 к
К = _ конт 3__(1)
э1~2^ А1к2 sh (k2 + к1)'- где значения коэффициентов имеют вид
кл —, к — 1
1 2 конт
2А2 ]
а КТС П конт
(X, А + Х 2 А2)
XДХ2 А2
(2)
к3 — 4к1 + е~к2 (- к1к2 +1)+ ек2 (+ к1к2 +1) 1конт — длина области контакта, Пконт — периметр поперечного сечения области контакта, X2 — коэффициенты теплопроводности контактов вилки и розетки, А1, А2 -площади поперечного сечения контактов вилки и розетки соответственно. Контактная тепловая проводимость аКТС рассчитывается по методике, предложенной в [2].
В [7] при расчете теплового сопротивления ЭС не учитывалась составляющая Кэ2, поскольку рассматривался ЭС, в котором Кэ1 & gt->- Кэ2 вследствие большей относительной длины области контакта. Составляющая Кэ2 рассчитывается по формуле теплового сопротивления стержня при отсутствии бокового теплообмена.
Тепловое сопротивление ЭС, не содержащего каркаса, в результате имеет вид
Яс — N ((+ Яз2). (3)
Экспериментальная установка
Для экспериментального исследования теплового сопротивления ЭС использовалась установка, схема которой изображена на рис. 2. К внешним электрическим контактам исследуемого штыревого ЭС 6 припаиваются медные трубки 5. Через трубку, установленную на вилке ЭС, пропускается охлаждающая жидкость (вода) 7. Температура
воды поддерживается на постоянном уровне, соответствующем комнатной температуре, при помощи жидкостного термостата 9.
Рис. 2. Схема установки для исследования теплового сопротивления ЭС: 1 — вольтметр универсальный Ц4311, 2 — источник питания ТЭС 21, 3 — вольтметр универсальный Ц4311, 4 — нагреватель, 5 — медные трубки, 6 — исследуемый ЭС, 7 — трубки с охлаждающей водой, 8 — вольтметр универсальный В7−21, 9 — жидкостный термостат ити-4. Тепловая изоляция ЭС и нагревателя не показана
Внутри второй трубки, припаянной к контактам розетки ЭС 6, расположен нагреватель 4. Питание нагревателя осуществляется от источника постоянного тока 1, а напряжение и ток на нагревателе контролируются универсальными вольтметрами 2, 3.
Вблизи двух противоположных поверхностей ЭС в его корпусе монтируются два спая дифференциального термоэлектрического преобразователя типа медь-константан. Места установки спаев показаны на рис. 2 жирными точками. Регистрация сигнала с термоэлектрического преобразователя (ЭДС) производится универсальным вольтметром В 7−21. Все измерения производятся в стационарном тепловом режиме, когда показания термоэлектрического преобразователя, контролируемые вольтметром 8, перестают изменяться.
Тепловой поток, рассеиваемый нагревателем 4, Ф н, идет через ЭС 6 к охлаждающей жидкости в трубках 7, а также рассеивается в окружающую среду, поэтому тепловое сопротивление ЭС определяется как

(4)
В формуле (5) Фн — мощность нагревателя, определяемая через измеренные значения тока и напряжения на нем, At — измеренная разность температур на противоположных поверхностях ЭС, оср — тепловая проводимость от нагревателя в окружающую
среду, являющаяся постоянной для данной установки. Для снижения величины оср и,
следовательно, увеличения теплового потока через ЭС, нагреватель и ЭС теплоизоли-
Ф
ровались. Значение аср было измерено при разомкнутом ЭС, когда & lt-зср = -н, и соста-
Дt
вило 0,026 Вт/К.
Результаты измерений и расчетов
На описанной выше установке были исследованы тепловые сопротивления ЭС БШ41 612 Б32−64, БШ41 612 Б33−96, СНП58−64 и СНП59−96. Также был проведен расчет их теплового сопротивления по формуле (3), результаты измерений и расчетов
Вид соединителя Эксперимент Расчет
СНП58−64 6,9±0,4 5,8
DIN41612 D32−64 6,7±0,2 5,8
СНП59−96 5,8±0,4 4,5
DIN41612 D33−96 5,5±0,4 4,5
Таблица. Результаты измерений и расчетов теплового сопротивления ЭС, К/Вт
Погрешность расчетов в результате не превысила 20% для всех исследованных ЭС. Полученное занижение результатов расчетов по сравнению с результатами экспериментов, по-видимому, вызвано недостаточной исходной информацией, так как подробные сведения о материалах, из которых изготовляются ЭС, скрываются их производителями и не приводятся даже в технических условиях.
Заключение
На специально разработанной установке были экспериментально определены тепловые сопротивления ЭС, применяемых в ЭП. При сравнении результатов измерений с результатами расчетов получено, что погрешность расчетной методики не превышает 20%, что приемлемо для большинства расчетов. Полученные значения тепловых сопротивлений могут использоваться для определения тепловых потоков через ЭС и для задания граничных условий при тепловых расчетах компонентов ЭП.
Литература
1. Шлыков Ю. П., Ганин Е. А., Царевский С. Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. 328 с.
2. Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. 216 с.
3. Savija I., Culham J. R., Yovanovich M. M. Review of thermal conductance models for joints incorporating enhancement materials // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2003. Vol. 17. No. 1. P. 43 — 52.
4. Lee S. Analytical modeling of thermal resistance in bolted joints /Lee S., Song S., Moran K. P., Yovanovich M. M. // Enhanced Cooling Techniques for Electronic Applications. 1993. Vol. 263. P. 115 — 122.
5. Хольм Р. Электрические контакты / Пер. с англ. под ред. Д. Э. Брускина и А. А. Рудницкого. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. 464 с.
6. Ким Е. И., Омельченко В. Т., Харин С. Н. Математические модели тепловых процессов в электрических контактах. Алма-Ата: Наука КазССР, 1977. 236 с.
7. Сушко В. Ю., Кораблев В. А., Шарков А. В. Методика расчета теплового сопротивления штыревых электрических разъемов // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т. 48. № 9. С. 51−54.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой