Тепловая защита электронной аппаратуры.

Большинство радиотехнических устройств, потребляя от источников питания мощность, измеряемую десятками, а иногда и сотнями ватт, отдают полезной нагрузке от десятых долей до единиц ватта. Остальная электрическая энергия, превращаясь в тепловую, выделяется внутри аппарата. Температура нагрева аппарата оказывается выше температу­ры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в окружающее пространство. Этот процесс идет тем интенсив­нее, чем больше разность температур аппарата и окружающей среды.

При некотором значении температуры поверхности оказываются равными количество теплоты, отдаваемой в окружающее пространство, и количество теплоты, выделяемое внутри аппарата; наступает состояние теплового равновесия - температура нагрева в каждой точке аппа­рата стабилизируется. Установившееся значение температуры опреде­ляется количеством теплоты, выделяемой внутри аппарата, и интенсивностью процесса отдачи теплоты в окружающее пространство, а также температурой окружающей среды.

Как было показано, надежность элементов радиоэлектронной аппа­ратуры сильно зависит от температуры окружающей среды. Для каждо­го типа элемента в технических условиях указывается предельная темпе­ратура, при превышении которой элемент нельзя эксплуатировать. Поэ­тому одна из важнейших задач конструктора радиоэлектронной аппара­туры состоит в том, чтобы обеспечить правильные тепловые режимы для каждого элемента.

Передача теплоты от нагретого тела в окружающее пространство может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и радиации (лучеиспускания). Для аппаратов, находящихся в воздушной среде, кон­векция – это перенос теплоты перемещающимися частицами воздуха. Схема тепловых потоков воздуха при естественной воздушной конвек­ции для аппарата с кожухом, имеющим уплотнение, показана на рис. 7.8, а. В этом случае передача теплоты от любого элемента проис­ходит следующими путями:

 

­

Рис.7.8. Способы охлаждения аппаратуры:

а – естественная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; б – естественная циркуляция воздуха через кожух с перфорацией; в – принудительная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; г – принудительная циркуляция воздуха через кожух с перфорациями; д – жидкостное охлаждение; 1– кожух; 2 – платы (шасси) с ЭРЭ; 3 – отверстия; 4 – двигатель; 5 – вентилятор; 6 – ввод от вентилятора; 7 – отражатели, распределяющие воздушный поток равномерно по поперечному сечению кожуха; 8 – жидкость

 

1) нагретый воздух поднимается вверх, омывает стенки кожуха, охлаждается о них и опускается вниз. Охлажденный воздух снизу посту­пает в пространство, содержащее элементы, выделяющие теплоту (ес­тественная конвекция);

2) по элементам конструкции часть теплого потока от каждого эле­мента достигает кожуха (теплопроводность);

3) часть теплового потока от нагретого тела передается кожуху за счет радиации. Вся тепловая энергия, полученная кожухом, передается им в окружаю­щее пространство также за счет конвекции, радиации и теплопровод­ности. В радиоэлектронной аппаратуре с искусственной конвекцией воз­духа часто не удается получить требуемых температурных условий для радиоэлементов. Тогда приходится прибегать к специальным мерам по снижению температуры.

На рис. 7.8, б показана схема аппарата охлаждаемого за счет естест­венной вентиляции. Характерной особенностью такого аппарата являет­ся наличие в кожухе отверстий или жалюзи, через которые воздух из окружающего пространства может попадать в аппарат. В этом случае нагретый воздух, поднимаясь вверх, выходит из аппарата через отверстия в верхней крышке, а на его место снизу поступает воздух из окружающего пространства, имеющий более низкую температуру: окружающий воздух пронизывает аппарат снизу вверх. Такая схема теплоотдачи значительно эффективнее, чем показанная на рис. 7.8 ,а.

Однако не во всех случаях можно делать отверстия в кожухе аппарата. Часто из-за ряда причин конструктор вынужден применять кожухи с уплотнением. Если зазоры между отдельными элементами конст­рукции (например, между печатными платами) малы, то скорость воз­душного потока при естественной конвекции оказывается также очень малой, что резко уменьшает количество теплоты, отдаваемой тепло­выделяющими элементами кожуху. В результате тепловые режимы элементов могут оказаться вне допустимых пределах. В данном случае применяют вентиляторы (рис.7.8 ,в), осуществляющие перемешивание воздуха внутри кожуха, что интенсифицирует процесс теплопередачи. Однако следует иметь в виду, что установка вентиляторов в малогаба­ритной аппаратуре может значительно увеличить ее размеры. Разме­щать вентилятор нужно так, чтобы выделяемая им тепловая энергия, (а она может быть соизмерима с энергией, выделяемой основными эле­ментами аппаратуры), не ухудшала теплового режима аппарата. На рис. 7.8, г показана схема принудительной вентиляции аппарата, ко­торая обеспечивает наиболее эффективное охлаждение его воздухом: специальный вентилятор прогоняет через аппарат воздух из окружаю­щей среды. Такая схема наиболее целесообразна, если радиоэлектрон­ное устройство будет установлено на объектах, где имеется централи­зованная система подачи воздуха. В ряде случаев такие централизован­ные системы подают в аппарат, осушенный и обеспыленный воздух.

Во всех рассмотренных примерах теплопередача осуществлялась за счет использования воздуха в качестве теплоносителя за счет тепло­проводности через элементы конструкции и радиации. Однако воздух как теплоноситель имеет очень плохие характеристики. 3начителрно лучшими тепловыми параметрами обладают жидкости. Поэтому в мощ­ных радиоэлектронных устройствах иногда применяют жидкостные системы охлаждения.

На рис. 7.8, д показан аппарат, внутренний объем которого заполнен жидкостью. Так как жидкость обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью чем газ, то передача теплоты от тепловыделяющих элементов кожуху происходит более интенсивно. Часть объема аппарата оставляют незаполненным жидкостью в связи с тем, что при нагревании она расширяется. Интенсифицировать жидкостное охлаждение можно принудительным перемешиванием жидкости специальным вентилятором или прокачиванием жидкости через специальный теплообменник, где она охлаждается.

К числу жидкостных систем охлаждения относятся и системы с испарением. В этом случае объем аппарата заполняется жидкостью, имею­щей низкую температуру кипения. Тепловая энергия, выделяемая элементами аппаратуры, расходуется на парообразование, и температура жидкости поддерживается постоянной, равной температуре кипения.

Следует отметить, что жидкостные системы охлаждения значительно усложняют конструкцию аппарата и применяются ограниченно.

В силу того, что источники тепловой энергии (микросхемы, транзис­торы, реле, двигатели и др.) распределены по объему аппарата неравномерно и передача теплоты в разных направлениях также происходит с различной интенсивностью, точное определение температуры в каж­дой конкретной точке аппарата представляет собой сложную задачу, которую на практике решают приближенными методами. Одним из таких приближенных методов, позволяющим сравнительно просто дать оценку значению температуры внутри аппарата при удовлетворитель­ных погрешностях, является метод нагретой зоны. Сущность его заклю­чается в том, что часть объема аппарата, в котором расположены тепло выделяющие элементы, заменяется одним или несколькими условными телами, имеющими простую геометрическую форму (параллелепипед, цилиндр, шар). Каждое из этих условных тел называют нагретой зоной. Нагретую зону представляют как однородное тело с равномерно расп­ределенными источниками энергии, имеющее одинаковую температуру поверхности (изотермическая поверхность). Точно так же изотермичес­кой условно считают и поверхность кожуха, в который заключена нагре­тая зона.

Рассмотрим, от каких физических факторов зависит количество теп­лоты, передаваемой в результате процесса теплопроводности, радиацией и конвекцией.

Теплопроводность – способность тела передавать теплоту от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой температурой. Мощность, отдаваемая за счет теплопроводности однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение:

, (7.8)

где α_т – коэффициент теплопроводности, зависящий от физических свойств материала, Вт/(м град);

s – площадь поперечного сечения тела, м²;

l – его длина, м;

Δt – разность температур между концами теплопроводящего тела, град.

 

Значения α_т для некоторых материалов приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1. Значения коэффициента теплопроводности

Наименование матер материала	αт, Вт/(м·град)	Наименование материала	αт Вт/(м·град)
Медь Алюминий Сталь Слюда	0,58	Пластмасса Картон Пенопласт Воздух	0,44 0,23 0,05 0,025

Входящий в формулу сомножитель α_т s/ l называют тепловой проводимостью, а обратную величину – тепловым сопротивлением R _т:

(7.9)

Теперь формула (7.8) может быть записана так:

(7.10)

Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для цепи с электрическим током I = Δ U/R. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяе­мыми в электротехнике формулами для параллельного и последователь­ного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру. Несколько примеров показаны на рис. 7.9.

 

 

Рис.7.9. Эквивалентные схемы теплопроводящего тела

с неоднородной структурой.

а – последовательное включение теплопроводников; б – параллельное

включение; в – комбинированное включение.

 

Как видно из рисунка, между поверхностями А и Б, имеющими темпе­ратуры t₁ и t₂

(t₁ - t₂ = Δ t), расположены несколько теплопроводящих тел, обладающих тепловыми сопротивлениями R_lT, R_2t, R_3t.

Общее тепловое сопротивление может быть вычислено:

для случая а – по формуле:

для случая б – по формуле:

для случая в – по формуле:

Чаще всего в процессе передачи теплоты от кожуха аппарата к окружающей среде роль теплопередачи незначительна. Это связано с тем, что площадь теплового контакта s между кожухом и основанием, на ко­тором он закреплен, всегда во много раз меньше площади кожуха.

Однако в процессе отвода теплоты от отдельных элементов, рассеи­вающих большую мощность, к расположенным рядом элементам конст­рукции роль теплопроводности может быть решающей.

Конвекция. Мощность (Вт), отдаваемая нагретой поверхностью за счет естественной конвекции, может быть определена по формуле

(7.11)

где α_к – коэффициент теплообмена между поверхностью и окружающей средой, Вт/(м²трад);

t – температура поверхности, град;

t_окр – темпе­ратура окружающей среды, град;

s – площадь нагретой поверхности, м².

В этой формуле, так же как в (7.8), сомножитель 1/(α_к s) можно обоз­начить тепловым сопротивлением R_T.

Значение α_к зависит от большого количества факторов.

В зависимости от характера движения теплоносителя различают четыре режима теплообмена:

1. Пленочный режим. У поверхности образуется почти неподвижная пленка нагретого теплоносителя. Теплообмен происходит за счет теплопроводности и радиации. Такой режим теплообмена имеет место при небольших температурных перепадах для тел с плавными очертаниями.

2. Закон степени 1/8

 

7. 12)

где α_к – коэффициент теплопроводности, Вт/(м²·град);

А ₁ – коэффи­циент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения;

t – температура стержня, град;

t_окр – темпе­ратура окружающей среды, град;

d – диаметр стержня, м.

Такой режим имеет место при охлаждении тонких длинных стержней.
Режим движения теплоносителя – ламинарный. Интенсивность теплообмена незначительная.

3. Закон степени 1/4

(7.13)

где А₂ – коэффициент, зависящий от физических свойств теплоносите­ля, его температуры и характера движения;

L – определяющий размер тела (высота цилиндра или минимальный размер вертикальной стенки). Остальные обозначения те же, что и в формуле (7.12).

При этом законе около охлаждаемых поверхностей происходит ин­тенсивное ламинарное и локонообразное движение теплоносителя. Ин­тенсивность теплообмена выше, чем при законе степени 1/8.

4. Закон степени 1/3

(7.14)

где Аз – коэффициент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения. Остальные обозначения те же, что и в формуле (7.12).

При законе степени 1/3 характер движения теплоносителя – вихре­вой, теплообмен наиболее интенсивный.

Для плоских и цилиндрических поверхностей характер теплообмена определяется неравенством:

(7.15)

Если неравенство выполняется, то движение теплоносителя подчи­няется закону степени 1/4 [формула (7.13)], если не выполняется, то за­кону степени 1/3 [формула (7.14)].

Значения коэффициентов Аз и А₂ приведены в табл. 7.2.

 

Таблица 7.2. Значение коэффициентов А₂ и А₃ для воздуха

tт
А2	1,38	1,34	1,31	1,29
А3	1,61	1,53	1,45	1,39

В табл. 7.2 t_m = 0,5(t + t_окр).

Если плоская поверхность расположена горизонтально и отдает теплоту вверх, то полученное значение α_к следует умножить на 1,3, если поверхность отдает теплоту вниз, то умножить на 0,7.

Влияние давления может быть учтено умножением полученного зна­чения α_к на коэффициент k_р:

(7.16)

где Н – давление газа, охлаждающего поверхность, Па;

Но – нормаль­ное давление (10⁵Па);

n – показатель степени в формулах (7.13) и (7.14) (1/4 или 1/3).

Радиация. Всякое нагретое тело отдает часть выделяемой в нем теп­лоты в виде лучистой энергии. Если оно окружено другими телами, кото­рые не являются абсолютно черными, то часть получаемой ими тепло­вой энергии отражается. В зависимости от конфигурации и размеров тел какая-то часть отраженной энергии попадает обратно на теплоизлучающее тело. Такой процесс может повторяться многократно.

Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определена по следующей формуле:

 

(7.17)

где Р_л – излучаемая мощность, Вт;

С ₀ – коэффициент излучения абсо­лютно черного тела: С ₀ = 5,67 Вт/(м² град⁴);

Т – температура нагрето­го тела, К;

T_окр – температура окружающих тел, К;

ε _n – приведенная степень черноты;

s – поверхность тела, м².

Коэффициент ε_n зависит от относительной степени черноты ε теплоизлучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров.

Значения относительной степени черноты ε различных тел в зависи­мости от характера обработки поверхности приведены в табл. 7.3.

Как видно из таблицы, для большинства применяемых покрытий значение ε составляет 0,7 – 0,96. На практике часто встречаются случаи, когда лучистый теплообмен идет между двумя плоскопараллельными пластинами или когда нагретое выпуклое тело с площадью поверхности S₁ заключено в оболочку с поверхностью S₂, причем S₁ ≥ 0,5S₂.

 

Таблица 7.3. Значения относительной степени черноты ε для некоторых

Поверхностей

Поверхность	ε	Поверхность	ε
Полированный алюминий Алюминиевая краска Анодированный алюминий	0,05 0,25 – 0,67 0,7 – 0,9	Масляная краска (любого цвета) Эмаль холодной сушки (любого цвета)	0,89 – 0,93   0,92 – 0,96

 

Для такой конфигурации тел и указанных значений ε_n приведенную степень черноты ε можно определить по формуле

ε_n ≈ ε₁ ε₂ (7.18)

где ε₁ и ε₂ относительная степень черноты нагретого и окружающих тел.