Разработка стенда для исследования неравномерного охлаждения электронных плат

 

При охлаждении электронных плат целесообразным является осуществлять неравномерный теплоотвод от их элементов в соответствии с уровнем тепловыделений. Для этих целей в Дагестанском государственном техническом университете разработано устройство [1], в котором данный принцип реализуется путем совместного использования плавящихся рабочих веществ и термоэлектрических модулей (ТЭМ)


.

В настоящей работе представлено описание стенда для проведения натурных испытаний опытного образца данного прибора, а также приведены результаты его экспериментальных исследований.


Принципиальная схема экспериментального стенда приведена на рис. 1.


Исследования проводились в теплоизолированной климатической камере 1, термостатируемый рабочий объем которой составляет 120 л. Камера обеспечивает поддержание температуры в пределах от 283 до 343 К с точностью 0,2 °С и относительной влажности от 30 % до 98 %. Заданная температура и относительная влажность в камере регулируется блоком управления 2, связанным с датчиком температуры и влажности 3, показания которого регистрируются цифровым табло 4.


Объектом экспериментальных исследований являлся опытный образец системы охлаждения, пред-ставляющий емкость 5, заполненную рабочим веществом — парафином. Верхняя поверхность емкости выполнена профилированной с образованием двух пазов, в которых размещены стандартные термо-электрические модули (ТЭМ) 6 типа DRIFT-08.


Место расположения пазов соответствует размещению на имитаторе электронной платы 7 тепловы-деляющих элементов 8, в качестве которых применялись плоские нихромовые электронагреватели. Топология размещения на имитаторе электронной платы тепловыделяющих элементов показана на рис. 2. Имитатор соответствует проектируемой электронной плате высокочастотного усилителя мощности ОАО «Избербашский радиозавод им. П. С. Плешакова».


рис 1-2.jpg


Для определения основных параметров исследуемого опытного образца при испытаниях замерялись следующие величины: напряжение и ток на ТЭМ; температуры на их спаях; напряжение и ток на нагревателях, температуры в контрольных точках имитатора электронной платы, включая нагреватели, оболочки емкости с рабочим веществом.


Температуры на горячей и холодной сторонах ТЭБ, а также в контрольных точках имитатора электронной платы измерялись медь-константановыми термопарами 9, опорные спаи которых находились в сосуде Дьюара 10. Выходные сигналы с термопар через многоканальный переключатель 11 поступали на измерительный комплекс ИРТМ 12, к выходу которого подключалась персональная ЭВМ 13, реги¬стрирующая показания измеряемых температур через заданный промежуток времени. Питание ТЭМ осуществлялось регулируемым источником постоянного тока 14. Ток, проходящий через ТЭМ, и на¬пряжение на нем контролировались встроенными в блок питания приборами. Для питания имитаторов тепловой нагрузки (электронагревателей) использовался аналогичный источник постоянного тока 15.


рис 3-4.jpg


Основной задачей, стоящей при проведении экспериментальных исследований, являлось определение температурных зависимостей тепловыделяющих элементов имитатора электронной платы при их неравномерном охлаждении от параметров ТЭМ и рабочего вещества, а также изменение во времени температуры оболочки емкости с рабочим агентом. Важным являлось сравнение экспериментальных данных с теоретическими.


Получены экспериментальные зависимости изменения температуры в контрольных точках имитатора электронной платы во времени без системы охлаждения при различных мощностях. Согласно данным температура тепловыделяющих элементов значительно повышается. Так, для источника тепло¬ты 1 в стационарном режиме ее значение составляет 428 К при мощности тепловыделений 120 Вт и 410 К при мощности тепловыделений 100 Вт (те же значения температуры и для тепловыделяющего элемента 2), а для источника теплоты 3 соответственно — 396 К и 382 К. При этом также велика температура в областях имитатора электронной платы, близлежащих к источникам теплоты, что говорит о наличии значительного температурного фона, который может сказаться на работе элементов электронной платы — служить причиной выхода их из строя.


На рис. 3 приведен график изменения температуры в контрольных точках имитатора электронной платы во времени при использовании опытного образца системы охлаждения. Согласно представленным данным применение охлаждающей системы уменьшает температуру тепловыделяющих элементов до приемлемых значений. Для случая, соответствующего рис. 3 температура источников теплоты снижается до 345 К и 344 К. При этом также уменьшается температурный фон, создаваемый тепловыделяющими элементами в близлежащих к ним областям имитатора электронной платы.


Для анализа энергетических характеристик системы охлаждения на рис. 4 показано изменение температуры контрольных точек имитатора электронной платы от силы, питающего ТЭБ электрического тока и потребляемой электрической энергии. В соответствии с полученными данными с увеличением силы тока, протекающего через ТЭБ, температура всех контрольных точек уменьшается. При этом ее наименьшее значение для данного случая при мощности источников теплоты 120 Вт составляет 344 К, что соответствует току питания ТЭБ 9 А. Очевидно, что дальнейшее увеличение электрического тока вплоть до оптимального для данного типа ТЭМ значения (11,3 А) даст дальнейшее снижение температуры контрольных точек. Для случая, представленного на рис. 4 току 9 А соответствует потребляемая мощность 352 Вт.


По результатам опытов проведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных. На рис. 3—4 теоретическим данным соответствуют сплошные линии.


Полученные экспериментальные значения определяют приемлемую точность расчетной модели и соответствующих теоретических выкладок. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.


Список литературы


1. Патент РФ № 2365072. Устройство для охлаждения электронных плат / Исмаилов Т. А., Евду¬лов О. В., Агаев М. У., 2009. Бюл. № 23.


2. Анатычук Л. И., Булат Л. П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. СПб.: Наука, 2001.

Комментарии 0

Комментариев пока нет