Быстрый поиск

Дипломная работа: Конструювання обчислювальної техніки

Дипломна робота

конструювання обчислювальної техніки

Зміст

1. Теплові процеси в РЕЗ

1.1 Теплообмін

1.2 Передача теплової енерг теплопровідністю (кондукцією)

1.3 Теплопровідність крізь стінку

1.4 Теплопровідність вздовж стінок та стержнів

1.5 Способи збільшення теплопровідності

1.6 Передача теплової енергії конвекцією

1.6.1 Конвективна тепловіддача

1.6.2 Вільна конвекція в необмеженому просторі

1.6.3 Вільна конвекція в обмеженому просторі

1.6.4 Конвективний теплообмін при довільному тиску

1.7 Передача теплової енерг випромінюванням

1.8 Складний теплообмін

1.9 Теплові режими РЕЗ

1.9.1 Нагрівання тіла зовнішнім середовищем

1.9.2 Нагрівання тіла внутрішнім джерелом енергії

1.9.3 Розрахунок температури корпуса та нагрітої зони

1.9.4 Максимальна температура РЕЗ

1.9.5 Температура в довільній точці

1.10 Типові теплові моделі РЕЗ

1.11 Вибір загальної системи охолодження РЕЗ

2. ЕОМ як механічна система

2.1 Динамічна модель та її параметри

2.1.1 Приведення мас

2.1.2 Приведення сил

2.1.3 Приведення пружних параметрів

2.1.4 Приведення параметрів дисипації

2.2 Вільні коливання одномасової системи

2.3 Вимушені коливання при гармонічному збудженні

2.4 Коефіцієнт динамічності

2.5 Зменшення вимушених коливань

2.6 Вимушені коливання при періодичному збудженні

2.7 Коливання елементів РЕА типу балок

2.8 Коливання пластин

2.9 Віброзахист обчислювальної техніки

3. Електромагнітна сумісність радіоелектронних засобів

3.1 Проблеми електромагнітної сумісності

3.2 Джерела, приймачі та зв’язки завад

3.3 Застосування еквівалентних електричних схем

3.4 Приклад розрахунку еквівалентної схеми

3.5 Екранування

3.6 Екранування електростатичного поля

3.7 Магнітостатичне екранування

3.8 Електромагнітне екранування

3.9 Електромагнітна сумісність цифрових вузлів

Висновки

Перелік умовних позначень

Список літератури

Вступ

Конструювання органічною складовою більш широкого процесу, який пов’язаний із розробкою технічного проекту, виробництвом і експлуатацією виробу. Процес конструювання не можна звести до окремих конструкторських рішень, прикладів та рекомендацій. Дуже важливо мати правильне й змістовне уявлення про загальні закономірност конструювання, його проблеми та перспективи. Тому конструювання обчислювально техніки (ОТ) розглянуто як прикладну наукову дисципліну, що узагальнює методи аналізу та синтезу конструкцій ОТ.

Теорія конструювання обчислювальної техніки формується на основі вивчення та врахування тих фізичних процесів, які реально впливають на її функціональні показники. В першу чергу, це електричні, електромагнітні, теплові та механічні процеси. Ц різні за своєю фізичною природою процеси певним чином взаємопов’язані між собою. Сучасне проектування ОТ вимагає системного підходу, при якому вс фізичні процеси розглядаються у взаємодії. Такий підхід потребує створення складних фізичних та математичних моделей.

Електрична енергія, яку споживає радіоелектронний засіб (РЕЗ), неминуче перетворюється в теплову. При цьому елементи РЕЗ нагріваються і погіршують свої характеристики. Боротьба з перегрівом особливо актуальна в умовах мініатюризації, що потребу детального аналізу трьох видів теплообміну: теплопровідності, конвекції, випромінювання. В багатьох випадках передача тепла відбувається через плоскі й циліндричні стінки, при цьому важливими є способи збільшення теплопровідності. У випадку складних теплових режимів нормальна робота приладів можлива завдяки використанню систем охолодження.

При певних обставинах на базі пружних елементів в ЕОМ можуть виникати та розвиватись механічні коливання. Для визначення рівня коливань складається відповідна динамічна модель. Динамічна модель – ідеалізований в межах поставленої задачі об’єкт з певними характеристиками у вигляді інерційних, пружних, дисипативних та силових параметрів. Важливим питанням є віброзахист обчислювальної техніки, який реалізується завдяки застосуванню різних видів амортизаторів.

Електромагнітна сумісність – здатність виробів нормально функціонувати поруч з іншими виробами в умовах дії між ними та на них додаткових електромагнітних полів при виготовлені та експлуатації. Тому для надійної роботи приладів важливими способи зменшення завад, екранування електростатичного, магнітного та електромагнітного поля.

1. Теплові процеси в РЕЗ

1.1 Теплообмін

Електрична енергія, яку споживає РЕЗ, неминуче перетворюється в теплову [1, 2]. При цьому елементи РЕЗ нагріваються і погіршують свої характеристики. Боротьба з перегрівом особливо актуальна в умовах мініатюризації. Існують два принципово різні методи боротьби з перегрівом:

- зменшення споживаної енергії, яка перетворюється в теплову;

- інтенсифікація тепловідведення з РЕЗ у навколишнє середовище.

Для успішного розв’язку проблеми треба вивчити процеси теплообміну.

Теплообмін це процес переносу теплової енергії із однієї частини середовища в іншу. Важливо, що теплообмін – необоротний процес. Він визначається різницею температур і проходить в напрямку зменшення температури. Як правило, цей процес де з середини апарату в зовнішнє середовище.

Розрізняють три види теплообміну [1-3]:

· теплопровідність – молекулярний чи електронний процес переносу тепла в суцільному середовищі;

· конвекція – перенесення тепла, пов’язане з макропереміщенням об’ємів рідин та газів;

· випромінювання (радіація) – це явище переносу енергії у вигляд електромагнітних хвиль.

Незалежно від виду теплообміну, тобто незалежно від механізму теплового процесу, його описують за допомогою аналітичного виразу, який має однакову лінійну форму.

Позначимо:

Q кількість тепла, Дж;

Ф тепловий потік, Вт.

В такому випадку має місце диференціальна залежність:

, (1.1)

де τ – час.

Між різницею температур (перегрівом θ) і тепловим потоком має місце залежність

, (1.2)

де R12 – коефіцієнт пропорціональності, який залежить від природи та стану середовища, а також від механізму теплового процесу. В загальному випадку це складна функція, але досить часто R12 - константа. По аналогії з електричними колами R12 називають тепловим опором.

1.2 Передача теплової енергії теплопровідністю (кондукцією)

Мова йде про передачу тепла в твердих тілах, нерухомих рідинах і газах, коли температура їх окремих ділянок різна. На рис.1.1. зображені ізотермічн поверхні та лінії теплового потоку.

Рис.1.1. Ізотермічні поверхні та лінії теплового потоку

Основним законом теплопровідності є закон Фур’є:

, (1.3)

де q – поверхнева густина теплового потоку, ;

- температурний градієнт, ; - теплопровідність, .

У диференціальній формі зв’язок між тепловим потоком і поверхневою густиною теплового потоку має вигляд

, (1.4)

де dА елементарна площа ізотермічної поверхні, через яку проходить тепловий потік.

Якщо тепловий потік однорідний (q=const), то

. (1.5)

Виведемо формулу для визначення теплового опору, якщо тепловий потік однорідний. З (1.3) та (1.5) слідує, що

Враховуючи останнє рівняння, з формули (1.2) одержимо:

Дуже часто . Тоді це рівняння прийме вигляд:

. (1.6)

З допомогою формули (1.6), виходячи з геометричних особливостей тіла та знаючи коефіцієнт теплопровідності матеріалу λ, можемо визначити тепловий опір ділянки. Знаючи тепловий опір R12 та перегрів θ12, із формули (1.2) одержуємо робочу формулу для визначення теплового потоку на заданій ділянці:

, (1.7)

де - тепловий опір ділянки, ;

- теплова провідність ділянки, ; ;

- перепад температур (перегрів).

1.3 Теплопровідність крізь стінку

Стінки досить розповсюдженими елементами конструкцій обчислювальної техніки. Тепловий опір стінок можна визначати незалежно від умов роботи конструкції та робочих режимів. Розглянемо найбільш типові випадки та виведемо розрахунков формули для визначення теплового опору.

Однорідна поперечна плоска стінка

На рис.1.2. зображена однорідна плоска стінка товщиною δ. Через неї в поперечному напрямку протікає однорідний тепловий потік Ф у напрямі зменшення температури; при цьому ti - температура лівої поверхні стінки, tj - температура правої поверхні стінки, ti > tj.

Теплове коло є тепловим опором Rij з температурними потенціалами на кінцях ti, tj. Формула (1.6) у даному випадку набуде вигляду:

а) б)

Рис. 1.2. Однорідна поперечна плоска стінка (а) та її теплова модель (б)

Остаточно запишемо її так:

. (1.8)

Отже, тепловий опір пропорційний товщині стінки δ і обернено пропорційний площі А та теплопровідності матеріалу λ.

Циліндрична стінка

Нехай однорідний тепловий потік Ф напрямлений у напрямку зовнішньої стінки (рис.1.3).

Рис.1.3. Циліндрична стінка

Хоча теплове коло, як і в попередньому випадку, складається з одного теплового елемента Rij, розрахункова формула буде іншою. В даному випадку площа поверхні, через яку проходить тепловий потік Ф, є функцією . Тому формула (1.6) набуває вигляду

Остаточно запишемо її так:

. (1.9)

Поперечна багатошарова стінка

На рис.1.4 зображена поперечна стінка, що складається з трьох шарів. Незмінний однорідний тепловий потік Ф послідовно проходить через кожний шар як через однорідну поперечну стінку площею А.

а) б)

Рис.1.4. Поперечна багатошарова стінка площею А (а) та її теплова модель (б)

Теплове коло є послідовним з’єднанням теплових опорів кожного шару. Тепловий опір вс стінки визначається як сума теплових опорів елементів. У загальному випадку розрахункова формула набуває вигляду:

. (1.10)

Поздовжня багатошарова стінка

Всі шари стінки мають однакову товщину δ (рис.1.5).

а) б)

Рис.1.5. Поздовжня багатошарова стінка (а) та її теплова модель (б)

Тепловий потік Ф розподіляється між кожним шаром стінки площею Аk. Кожний шар має свою теплопровідність матеріалу λk. Через поверхню площею Аk проходить тепловий потік Фk, при цьому . Теплове коло є паралельним з’єднанням теплових опорів кожного шару. Тепловий опір всієї стінки знайдемо по аналогії з визначенням опору електричного кола. Одержимо розрахункову формулу

. (1.11)

1.4 Теплопровідність вздовж стінок та стержнів

Особливістю стержнів та пластин є одновимірний характер розповсюдження тепла. Тепловий потік у стержні рухається вздовж його осі, а в стінці – вздовж стінки. В поперечному напрямку температурний градієнт набагато менший, ніж уздовж стінки чи стержня. До стержнів можна віднести провідники, електроди термопар, тощо. До пластин можна віднести робочий елемент напівпровідникового випрямляча радіаторного типу, окреме ребро радіатора, шасі, на якому змонтовані деталі, тощо.

На рис.1.6 зображений стержень, вздовж якого рухається тепловий потік Ф

Рис.1.6. Тепловий потік стержня

Хоча тепловий потік рухається вздовж стержня, його інтенсивність падає, бо має місце віддача тепла з бокової поверхні стержня в оточуюче середовище. Тому, якщо на початку температура бокової поверхні стержня дорівнювала tm, то в кінц стержня вона падає до значення tk. Якщо L таке, що tk=tC (Фk=0), то для довільного перерізу з координатою х має місце формула:

, (1.12)

де А площа поперечного перерізу;

U – периметр поперечного перерізу;

;

α - коефіцієнт тепловіддачі бокової поверхні стержня;

λ - теплопровідність матеріалу;

, .

1.5 Способи збільшення теплопровідності

Ефективна робота теплопроводів визначається не тільки їх геометрією, але й властивостями матеріалу. В першу чергу мова піде про теплопровідність λ, яка входить у всі наведені раніше розрахункові формули кондуктивної теплопередачі.

Матеріал зі значенням теплопровідності вважається теплопровідним. Тобто такі матеріали в загальному випадку здатні забезпечити відвід тепла від нагрітого елемента, запобігаючи його перегріву. Матеріали з значенням теплопровідності вважаються теплоізоляційними. Розглянемо теплопровідності основних видів матеріалів більш детально.