Способы отвода тепла в ЭС.

Для уточнения возможности реализации принципа обеспечения защищенности ЭС за счет отвода тепла от объекта, а также для определения оптимальных значений параметров Е_Т тепловой подсистемы S_Т, рассмотрим основные положения теории теплообмена. Известно, что теплообмен возможно организовать за счет кондукции, конвекции и излучения.

Процесс передачи тепла теплопроводностью объясняется обменом кинетической энергии между молекулами вещества и диффузией электронов. Эти явления имеют место, когда температура вещества в различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количество тепла, проходящее через гомогенное (однородное) тело в единицу времени, прямо пропорционально площади поперечного сечения, нормальной к потоку тепла, и температурному градиенту вдоль потока,

                                          Р_Т = ,                                (20)

где Р_Т - мощность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, Вт;

l - коэффициент теплопроводности, ;

d - толщина стенки, м;

t₁,t₂ - температура нагретой и холодной поверхности, К;

S - площадь поверхности, м².

Из этого выражения можно сделать вывод, что при разработке конструкции ЭС теплопроводящие стенки следует делать тонкими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности.

Рассмотрим случай передачи тепла через плоскую стенку толщиной d.

Рис. 8.2. Передача тепла через стенку.

Количество тепла, передаваемого за единицу времени через участок стенки площадью S определится по уже известной формуле

                                         Р_Т = .                            (21)

Эту формулу сравнивают с уравнением закона Ома для электрических цепей. Нетрудно убедиться в их полной аналогии. Так количество тепла в единицу времени Р_Т  соответствует величине тока I, температурный градиент (t₁ - t₂) соответствует разности потенциалов U.

Отношение  называют т е р м и ч е с к и м сопротивлением и обозначают через R_Т,

                                             R_Т = ,                                                     ₍₂₂₎

Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока и электрического тока не только позволяет отметить общность физических процессов, но и облегчает проведение расчета теплопроводности в сложных конструкциях.

Если в рассмотренном случае элемент, который нужно охладить, располагается на плоскости имеющей температуру t_СТ1, то

                                           t_СТ1 = Р_Тd(lS) + t_СТ2.                      (23)

Следовательно, для уменьшения t_СТ1 нужно увеличить площадь теплоотводящей поверхности, уменьшить толщину передающей тепло стенки и выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности.

Для улучшения теплового контакта необходимо уменьшать шероховатость контактирующих поверхностей, покрывать их теплопроводящими материалами и создавать контактное давление между ними.

Качество теплового контакта между элементами конструкции зависит также от электрического сопротивления. Чем меньше электрическое сопротивление контактной поверхности, тем меньше его термическое сопротивление, тем лучше теплоотвод.

Чем меньше теплоотводность окружающей среды, тем больше времени потребуется для установления стационарного режима теплообмена.

Обычно охлаждающей частью конструкции является шасси, корпус или кожух. Поэтому при выборе компоновочного варианта конструкции нужно смотреть, имеет ли выбранная для крепления охлаждающая часть конструкции условия для хорошего теплообмена с окружающей средой или теплостойком.

Процесс отбора тепла от нагретого тела происходит за счет передачи энергии соприкасающемуся с ним теплоносителю, например - воздуху окружающей среды. Нагретая масса теплоносителя заменяется холодной либо естественной циркуляцией, либо принудительно.

Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона

                                            Р = a_К (t_К - t_С) S_К,                                     (24)

где Р - мощность, передаваемая в виде тепла, Вт;

a_К - коэффициент теплопередачи конвекцией, ;

S_К - площадь теплоотводящей поверхности, м²;

t_К, t_С - температуры нагретого тела и окружающей среды, К.

Качество естественного конвективного теплообмена зависит от мощности тепловыделения во время работы ЭС, формы и габаритов аппаратуры, площади теплоотдающей поверхности, которую искусственно увеличивают введением специальных ребер - радиаторов. Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий.

Естественный конвективный теплообмен наиболее прост и доступен. Единственное условие - наличие достаточных зазоров (не менее 4...5 мм) для циркуляции воздуха. Чем больше зазоры, следовательно, и объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен.

Эффективность теплообмена зависит от места расположения элемента в ЭС. Так при вертикальном расположении субблоков воздушному потоку ничто не препятствует, и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении - замена воздуха затруднена. В худшем положении оказываются элементы, обращенные к дну и верхней части ЭС. Конвективный теплообмен ухудшается с уменьшением давления воздуха.

Увеличение значений коэффициента теплопередачи a_К и уменьшение температуры t_С можно достичь используя принудительное охлаждение. Качество теплообмена в этом случае будет зависеть и от скорости замены теплоносителя, и от характеристик теплоносителя и его массы.

Общим правилом при компоновке ЭС для естественного и принудительного охлаждения является увеличение площади теплоотводящих поверхностей при ограничении аэро- и гидродинамическому сопротивлению потоку теплоносителя.                             

 Любое нагретое тело в той или иной степени излучает или поглощает тепло. Излучение тепловой энергии происходит в виде электромагнитных волн в диапазоне 0,3...10 мкм. Тепловое излучение может отражаться, поглощаться или пропускаться телами.

Практически все тепловое излучение, проникающее внутрь тонкого слоя твердых (1 мкм - проводники, до 1,3 мм - непроводники) и жидких тел, поглощается. Тело от нагретой поверхности которого происходит незначительной отражение тепловых лучей, называют а б с о л ю т н о ч е р н ы м. Но это не значит, что оно должно быть черным по цвету. Шероховатая поверхность стальной детали, покрашенная белой эмалью поглощает 90% тепловых лучей и может считаться близкой к абсолютно черному телу, хотя и выглядит белой.

Величину излучаемой энергии определяют по закону Стефана-Больцмана.

                                      Р_Л = ,                                          (25)

А если тело находится в какой-либо среде, то тепловой поток излучаемой энергии

                                  Р_Л =  ,                           (26)

 

где Р_Л - лучистый тепловой поток, Вт;

С - коэффициент излучения тела, ;

Т - температура поверхности тела, К;

Т₁ - температура окружающей среды, К.

Величину e называют степень черноты. Она приводится в таблицах, причем шероховатые поверхности имеют большую величину e, чем хорошо обработанные, (так для полированного алюминия e = 0,04, а для картона -0, 93). Для абсолютно черного тела С₀ = 5,67 ; для реальных тел .

Так как тепловой поток при излучении определяется разностью четвертых степеней температур, то эффективность теплопередачи излучением возрастает при больших разностях температур.

Отвод тепла излучением в ЭС связан с установкой теплопоглощающих и теплоотражающих экранов для защиты теплочувствительных элементов от перегрева. Теплопоглощающие экраны имеют матовую оксидированную поверхность или окрашиваются масляными и эмалевыми красками. Теплоотражающие экраны имеют глянцевую поверхность светлых тонов, зеркальную или полированную. Такие экраны позволяют не только снижать местные перегревы, но и выравнивать температурное поле внутри блока.

Теплоотвод излучением актуален в вакууме. Для современных ЭС конвективный теплообмен настолько эффективнее, что излучение не учитывается.