Анотація до роботи:

Сінотін А.М. Автоматизація розрахунків нестаціонарних теплових режимів при проектуванні одноблокових радіоелектронних апаратів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.12 – системи автоматизації проектувальних робіт. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню характеру теплообміну в радіоелектронних апаратах, що функціонують у повітряному середовищі при нормальному атмосферному тиску; розробці методики розрахунку нестаціонарних температурних полів РЕА з довільним законом зміни розсіюваної елементами потужності від температури і часу; дослідженню впливу конструктивних параметрів апарату з урахуванням анізотропії нагрітих зон по теплопровідності на загальний температурний режим.

Вперше, на основі проведених аналітичних і експериментальних досліджень, отримано алгоритм теплофізичного проектування одноблокових радіоелектронних апаратів, що дозволяє забезпечити заданий температурний режим на початкових етапах конструювання паралельно з розробкою електричної схеми і вибором елементної бази. Це значно підвищує економічну ефективність розробок і виключає необхідність істотних змін в конструкції за наслідками перевірочних розрахунків і температурних випробувань.

1. Конструювання сучасних РЕА, поряд з розробкою електричних схем, вимагає строгого урахування температурного режиму майбутньої конструкції. Це ставить перед конструктором задачу здійснити теплофізичне конструювання на всіх стадіях розробки надійної, економічної, малогабаритної РЕА. Спроба емпіричного пошуку прийнятного варіанта конструкції стає економічно не виправданою. Тому в поданій роботі розроблено алгоритм теплофізичного проектування, який забезпечує синтез температуростійкої конструкції апарату.

2. Літературні джерела що до теплофізичного конструювання РЕА із заданим тепловим режимом представлені, головним чином, журнальними статтями. Основні розробки спрямовані на вибір та оптимальне використання повітряних систем охолодження. Монографії що до загального конструювання РЕА передбачають лише повірочні розрахунки температурних полів. Теплофізичне конструювання проводиться на основі багаторазових розрахунків при різних значеннях параметрів, тобто використовується метод проб і помилок.

3. Розв'язано задачу регулярного теплового режиму трьохскладової системи тіл, нагрітої зони, в якій рівномірно розподілені внутрішні джерела енергії, потужність яких лінійно залежить від температури:

– отримано розрахункові залежності для коефіцієнта форми нагрітої зони з деформованою поверхнею по відношенню до кулі, циліндра або пластини і темпу регулярного режиму.

– підтверджено, що на відміну від систем з постійною потужністю джерел, темп регулярного режиму залежить від величини та характеру розподілу початкової потужності та температурного коефіцієнта потужності і відрізняється чисельно від темпу регулярного режиму простого охолодження.

– досліджено вплив темпу регулярного режиму на точність розрахунку температури методом регулярного режиму, і підтверджено необхідність урахування поправки, викликаної температурнозалежними джерелами.

4. Виконані дослідження сходження ряду загального розв’язання рівняння нестаціонарної теплопровідності однорідного тіла (нагрітої зони) і отримані розрахункові залежності для оцінки часу початку регулярного теплового режиму при різних законах розподілення джерел (рівномірний, периферійний, центральний) і рівномірному початковому полі температури.

5. Встановлено, що характер теплових зв’язків між елементами монтажу нагрітої зони РЕА з типовим повітряним або компаундним заповнювачем однозначно визначається коефіцієнтом густини монтажу , що дозволило з урахуванням особливостей конструкції кожуха здійснити класифікацію РЕА.

Для досліджень було вибрано одноблокові апарати в герметичному (пилозахищеному) кожусі з густим монтажем (h_м >> 1) і монтажем середньої густини

(h_м > 1), теплова модель яких являє собою трьохскладову систему тіл.

6. Підтверджено можливість використання для РЕА з температурозалежними джерелами енергії розрахункових методів дослідження нестаціонарних теплових режимів, заснованих на теорії регулярного режиму.

7. Розв’язано задачу узагальнення методу елементарних теплових балансів на трьохскладову систему тіл (РЕА) з довільним законом розподілу джерел енергії змінної потужності в нагрітій зоні і змінними теплофізичними коефіцієнтами:

– проведено аналіз основних припущень і встановлено, що помилка методу при виконанні умови стійкості різницевої розрахункової схеми є практично лінійною функцією тільки кроку розбивки на елементарні об’єми.

– досліджено нестаціонарні температурні поля РЕА із середньою густиною монтажу (h_М > 1) і нерівномірним розподіленням джерел енергії, потужність яких змінювалась, як нерозривна функція температури і дискретна функція часу.

8. Проведено експериментальні дослідження РЕА з різною густиною монтажу і змінною потужністю показали правильність основних припущень методу регулярного режиму і методу елементарних балансів. Обидва методи дають можливість з достатньою для практичних цілей точністю дослідити нестаціонарні теплові режими РЕА із змінною розсіюваною потужністю.

9. При переході від нормального тиску до вакууму (10^-1 мм рт. ст.) в усіх точках блоку відбувається підвищення температури перегріву на 3 – 10 град., що у відсотковому відношенні є 20 – 35% і задовільно узгоджується із результатами розрахунків.

10. Відносне підвищення температури перегріву більш суттєво (до 35%) відбувається на кожусі і платах. Це може бути пояснено суттєвою долею впливу конвективного теплообміну на загальний характер теплообміну кожуху і плат у порівнянні із елементами нагрітої зони.

11. Слід відзначити, що температурний перегрів деяких елементів у умовах РЕА при переході до вакууму підвищується значно менше, ніж при самостійному функціонуванні елемента. Так, для реле РЕС – 9, РЕС – 10 відносне підвищення перегріву в умовах блоку зменшується з 50% до 20% по відношенню до перегріву при нормальному тиску.

12. Згідно з вище наведенних п. п. 9 – 11 і теоретичними розрахунками для апаратів інших конструкцій можна зробити висновки, що для РЕА, навіть з середньою щільністю монтажу (), частка конвективного теплообміну між елементами нагрітої зони мала. Основний теплообмін відбувається шляхом кондукції (теплопровідності) і випромінювання.

13. Загальний характер і закономірності зміни температурного поля в умовах вакууму (10^-1 мм рт. ст.) у блоці, що функціонує із змінною розсіюваною потужністю, залишаються практично такими ж, як в умовах нормального тиску навколишнього середовища.

14. Отримано залежність ефективної теплопровідності від величини зазору між блоками при зміні відстаней в межах 25 – 200 мм. (рис. 11).

15. Проведені дослідження коефіцієнтів l, С, g апаратури, що дозволяє здійснити розрахунки теплових режимів РЕА вже на початкових стадіях проектування апаратів, коли елементна база задана орієнтовно.

16. Результати статистичної обробки радіоелектронних апаратів показали малу залежність питомої теплоємності від елементної бази нагрітої зони апарату, що дозволяє прийняти ії постійним значенням 860 Дж / (кг ⁰С). Об’ємна теплоємність на початковій стадії теплофізичного конструювання може бути рекомендованою з постійним значенням 3,25 10³ Дж / (кг ⁰С) з наступним уточненням внаслідок більш суттєвої залежності від конструкції апарату.

17. Показано, що для розв’язання загальної задачі синтезу одноблокових РЕА із заданим тепловим режимом необхідно задати допустимі межі зміни параметрів синтезу, тобто межу на кожний параметр. Це приведе до необхідності розв’язання прямих задач теплопровідності.

18. Сучасний математичний апарат не дозволяє отримати аналітичний розв'язок інтегрального рівняння зворотної задачі теплопровідності при довільному законі зміни допустимої температури по об’єму РЕА. Тому задача була обмежена отриманим алгоритмом синтезу РЕА за максимальною, стаціонарною допустимою температурою РЕА.

19. Отримано алгоритм синтезу одноблокових РЕА за заданою максимальною температурою, що виражається нерівністю (20).

20. Показано, що процес теплофізичного проектування зводиться до послідовної мінімізації параметрів синтезу для виконання нерівності (20) і задоволення обмежень, накладених на параметри синтезу технічними умовами і т.д.

21. За отриманим алгоритмом проведено синтез РЕА та виконані експериментальні дослідження температурних полів синтезованих конструкцій (Додаток Е).

22. Проведено теоретичні і експериментальні дослідження впливу геометричних розмірів, форми, теплофізичних коефіцієнтів на параметри синтезу, що дозволяє дати рекомендації, які забезпечують оптимальну мінімізацію кожного параметру.

23. Ефективна мінімізація початкового параметру (21) може бути здійснена для конструкцій апаратів з лінійним розміром 0,5 м за рахунок переходу до малої густини монтажу або збільшення ефективності системи поверхневого охолодження. Для конструкцій з лінійними розмірами більшими за 0,5 м мінімізація початкового параметру практично неможлива.

24. Встановлено, що перехід до конструкцій у формі квадратного “брусу” забезпечує найбільш ефективну мінімізацію параметра форми. Ступінь мінімізації зростає із зростанням ефективності системи охолодження апарату.

25. Ступінь мінімізації параметру теплопровідності (27) залежить від інтенсивності системи охолодження і лінійного розміру апарату. При лінійних розмірах апарату більших від 0,5 м, або при інтенсивному поверхневому охолодженні має місце максимальна мінімізація параметру теплопровідності. Встановлено, що підвищення ефективної теплопровідності більше за 2 – 4 вт/м град не викликає подальшої мінімізації. Отже не слід намагатись підвищити теплопровідності заповнювачів (компаундів) більшої, ніж ці значення.

26. Мінімізація параметра анізотропності (31) за теплопровідністю потребує такого розміщення плат, щоб мінімальні розміри нагрітої зони апарату співпали з напрямом дії максимальної теплопровідності. Для оптимальної форми квадратного “брусу” та плоских теплостоків ця умова виконується при розміщенні квадратних плат перпендикулярно більшій осі “бруса”, що приводить до граничної мінімізації параметру анізотропності по теплопровідності. Порушення цієї умови різко знижує ефективність кондуктивних теплостоків.

27. Концентрація елементів, що розсіюють тепло, до центру нагрітої зони сприяє підвищенню параметра потужності, тобто незадовільно впливає на температурний режим елементу в порівнянні з рівномірним розподілом потужності джерел.

28. Мінімізація параметру потужності можлива за рахунок концентрації (розміщення) тепловиділяючих елементів на периферії нагрітої зони апарату. Ступінь мінімізації визначається інтенсивністю поверхневого охолодження апарату, величиною ефективної теплопровідності нагрітої зони і розмірами апарату. Для апаратів з лінійними розмірами меншими за 0,5 м і малою ефективністю поверхневого охолодження або з великою ефективною теплопровідністю закон концентрації тепловиділяючих елементів практично не впливає на параметр потужності у порівнянні з рівномірним розподілом. Має місце лише переміщення максимальної температури з центральної зони до периферії.

29. У апараті з плоскими теплостоками в умовах звичайної конвекції нерівномірність розподілення потужності практично не впливає на максимальний перегрів.

30. Оптимальна форма і характер розміщення плат з елементами в об’ємі нагрітої зони визначається умовами мінімізації параметру анізотропності за теплопровідністю (дивитись п. 27), а оптимальне розміщення елементів на платах випливає з умови мінімізації параметру потужності.

31. Показано, що якщо мінімізація всіх параметрів синтезу в границях заданих обмежень не забезпечує виконання нерівності (20), то необхідно від поверхневих систем охолодження перейти до більш складних в конструктивній реалізації об’ємних систем охолодження. Синтез апарату в цьому випадку проводиться за алгоритмом (39) і зводиться до відносного вибору параметрів систем охолодження.

32. Створений метод розрахунків теплових режимів радіоелектронної апаратури легко реалізується на ЕОМ, що дозволяє широко використовувати ії в системах автоматичного проектування радіоелектронних апаратів на початкових етапах їх проектування.

Публікації автора:

1. Синотин А. М. Проектирование одноблочных радиоэлектронных приборов с заданным тепловым режимом / В. В. Семенец, А. М. Синотин, Т. А. Колесникова – Харьков: Навчально-науковий видавничо-поліграфічний центр ХНУРЭ, – 2006. – 171 с.

2. Синотин А. М. Исследование влияния характера размещения источников тепла на температурное поле аппарата / А. М. Синотин // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2002. – Вып. 119. – С. 50 – 53.

3. Синотин А. М. Минимизация параметра эффективной теплопроводности нагретых зон радиоэлектронных аппаратов / И. Ш. Невлюдов, А. М. Синотин // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – № 3. – С. 18 –19.

4. Синотин А. М. Влияние объёма нагретой зоны и интенсивности системы поверхностного охлаждения на максимальный перегрев аппарата / И. Ш. Невлюдов, А. М. Синотин // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – № 4. – С. 11– 12.

5. Синотин А. М. Общая тепловая модель одноблочных радиоэлектронных аппаратов и её математическое описание / А. М. Синотин // Радиотехника. – 2002. – № 129. – С. 169 – 172.

6. Синотин А. М. Теплофизические и конструктивные параметры алгоритма синтеза багатоплатных РЭА по максимальному допустимому перегреву / А. М. Синотин // Радиотехника. – 2003. – № 131. – С. 145 – 149.

7. Синотин А. М. Влияние формы нагретой зоны на максимальный перегрев аппарата / А. М. Синотин // Радиоэлектроника и информатика. – 2003. – № 4. – С. 27 – 30.

8. Синотин А. М. Исследование влияния элементов радиоэлектронного аппарата на эффективную теплопроводность в основных направлениях / А. М. Синотин // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2003. – Вып. 124. – С. 61 – 66.

9. Синотин А. М., Начало регулярного теплового режима в анизотропных телах / А. М. Синотин, В. В. Семенец // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – № 2. – С. 20 – 22.

10. Синотин А. М. Влияние анизотропии теплопроводности на эффективность минимизации параметра F. Оптимальное размещение плат с плоскими теплостоками / А. М. Синотин // Радиотехника. – 2004. – № 136. – С. 143 – 145.

11. Синотин А. М. Алгоритм теплового синтеза различных конструкций одноблочных радиоэлектронных аппаратов / А. М. Синотин // Прикладная радиоэлектроника. – 2004. – Т. 3, № 3. – С. 110 – 113.

12. Синотин А. М. Комбинированный метод определения эффективной теплопроводности для сложных систем при >1 / А. М. Синотин // Прикладная радиоэлектроника. – 2004. – Т.3, № 1. – С. 82 – 84.

13. Синотин А. М. Математическая модель сложной системы тел и её эффективная теплопроводность / А. М. Синотин, Т. А. Колесникова // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2004. – Вып. 128. – С. 16 – 18.

14. Синотин А. М. Метод определения эффективных теплопроводностей сложных систем тел / А. М. Синотин, В. В. Семенец // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2004. – № 127. – С. 48 – 52.

15. Синотин А. М. Метод определения коэффициента формы аппарата сложной конфигурации / А. М. Синотин // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – № 3. – С. 20 – 22.

16. Синотин А. М. Исследование точности метода многих точек для определения теплопроводности анизотропных материалов / А. М. Синотин, В. И. Азаренков // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2004. – Вып. 129. – С. 37 – 40.

17. Синотин А. М. Экспериментальное исследование тепловых режимов радиоэлектронных аппаратов работающих в условиях вакуума / А. М. Синотин, Т. А. Колесникова // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2005. – Вып. 132. – С. 61 – 65.

18. Синотин А. М. Исследование теплообмена тел простейшей геометрической формы в вакууме / А. М. Синотин, Т. А. Колесникова // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2005. – Вып. 131. – С. 92 – 96.

19. Синотин А. М. Экспериментальное исследование тепловых режимов радиоэлектронных элементов работающих в условиях вакуума / А. М. Синотин, Т. А. Колесникова // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 2005. – Вып. 130. – С. 56 – 59.

20. Синотин А. М. Экспериментальное исследование эффективной теплопроводности в электронных аппаратах с малой плотностью монтажа / В. И. Азаренков, А. М. Синотин // Радиотехника. – 2005. – № 140. – С. 111 – 117.

21. Синотин А. М. Исследование теплофизических коэффициентов сложных систем / А. М. Синотин // Прикладная радиоэлектроника. – 2005. – № 2. – С. 240 – 242.

22. Синотин А. М. Синтез одноблочных радиоэлектронных аппаратов с заданным тепловым режимом / А. М. Синотин, Т. А. Колесникова // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: 2 – й Междунар. радиоэлектронный форум. Харьков, 19 – 23 сентября, 2005 г. М–во освіти і науки України. – Т. 6. – С. 103 – 107.

23. Синотин А.М. Методы исследования эффективной теплопроводности нагретых зон многоплатных одноблочных радиоэлектронных аппаратов / А. М. Синотин // 10 - я юбилейная международная научная конференция "Теория и техника передачи, приёма и обработки информации" Сб. тезисов докладов. Ч. 2 – Харьков – Туапсе: ХТУРЭ. 28 сентября – 1 октября 2004 г. М–во образования и науки Украины. – С. 173 – 174.

24. Синотин А. М. Синтез одноблочных радиоэлектронных аппаратов с заданным тепловым режимом / А. М Синотин., Т. А. Колесникова // Научная сессия МИФИ – 2005. Московский инженерно – физический институт. Сборник научных трудов по материалам научной сессии МИФИ 24 – 28 января 2005 г. М – во образования и науки Российской федерации. – М.: 2005 – Т 1. – С. 223 – 224.

25. Синотин А. М. Минимизация перегрева радиоэлектронной аппаратуры / А. М. Синотин, И. А. Чуб, Г. Э. Винокуров // Материалы Ш-й научно-практической конференции 14 – 15 сентября 1988 г. Министерство внутренних дел Украины. Украинский научно-исследовательский институт пожарной безопасности. Пожарная безопасность. – К., 1997. – С. 126 – 127.

26. Синотин А. М. Автоматический привод юстировочного устройства / Ю. И. Сальников, А. М. Синотин, С. В. Маслов // Харьковское областное правление общества «Знание» УССР. Харьковское областное правление общества научно-технического творчества машиностроителей. Харьковский институт радиоэлектроники. – Х., 1988. – С. 129.