Тема 5.2 Теплообмен в конструкциях электронных средств

       С позиции теплофизики РЭС представляет собой устройство, преобразующее электроэнергию источников питания в тепловую. Тепловая модель РЭС может быть представлена физическим телом со множеством источников и стоков тепла в виде резисторов, транзисторов, ЭВП и различных элементов конструкции.

Перенос тепла от горячего тепла к холодному (или к окружающей среде) происходит за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергией между находящимися в соприкосновении телами или частями тел, обусловленный взаимодействием молекул и атомов в этих телах.

Конвекцией называется перенос энергии микрочастицами газа или жидкости. Конвекция может быть естественной и вынужденной.

Перенос тепла излучением происходит посредством электромагнитных волн.

 

Методы теплового моделирования

Существуют два основных метода теплового моделирования: метод изотермических поверхностей и метод однородного тела.

Метод изотермических поверхностей подразумевает расчленение всего РЭС на условные изотермические участки. Например, условными изотермическими поверхностями в одноблочном аппарате с кожухом можно считать поверхность кожуха с определенной средней температурой и поверхность нагретой зоны внутри аппарата.

При необходимости производят расчленение аппарата на изотермы внутри нагретой зоны. Под нагретой зоной понимают объем внутри аппарата, в котором расположены источники, создающие потоки к кожуху.

Метод однородного тела подразумевает представление системы тел, включающей несколько неоднородных тел, в виде монолитного теплового тела с постоянными теплофизическими параметрами. Такой метод моделирования применим к РЭС, содержащим большое число одинаковых в конструктивном отношении функциональных узлов (модулей, микромодулей), повторяющихся во всех трех измерениях. При этом считают, что как геометрические, так и теплофизические свойства системы периодически повторяются, т.е. система обладает так называемым дальним порядком.

Наибольший обмен повторения в конструкции называют элементарной ячейкой.

В реальных конструкциях часто свойство дальнего порядка может нарушаться, так как не все функциональные узлы имеют одинаковые размеры, не всегда соблюдается периодичность компоновки. В этих случаях предлагается объединить несколько узлов в группы, соответствующие некоторой эквивалентной элементарной ячейке. Такие системы называются системами с ближним порядком.

В обоих случаях преимущество дальнего метода моделирования обеспечивается. Определение эквивалентного коэффициента теплопроводности по трем направлениям нагретой зоны всей системы сводится к определению аналогичных величин для элементарной ячейки и распространению их на всю систему. Дальнейший расчет проводится по формулам теплопроводности.

 

Системы охлаждения

В ЭС используются воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные системы охлаждения.

Воздушные системы охлаждения могут быть следующих видов:

• Естественное охлаждение внутри корпуса. Является наиболее простым и распространенным. Тепло от деталей за счет конвективной теплоотдачи и излучения передается герметичному корпусу, а от него таким же способом – в окружающую среду. Однако этот способ охлаждения наименее эффективен.

• Естественная вентиляция РЭС за счет разности плотностей холодного наружного и нагретого внутреннего воздуха. Для прохода воздуха в корпусе имеются вентиляционные отверстия (жалюзи, решетки), при этом часть тепла отдается воздуху, проходящему через аппарат, часть рассеивается от корпуса в окружающую среду.

• Внутреннее перемешивание воздуха вентилятором в объеме герметичного корпуса. Значительно интенсифицирует теплообмен между деталями и корпусом.

• Принудительная вентиляция. Применяется в тех случаях, если естественная вентиляция и внутреннее перемешивание не обеспечивают нормальный тепловой режим РЭС. Она может быть приточной, вытяжной и приточно-вытяжной. Приточная вентиляция считается более эффективной, так как вентилятор работает в более плотном холодном воздухе, что обеспечивает больший массовый поток теплоносителя и больший сток тепла.

• Отвод тепла путем наружного обдува корпуса. Применяется обычно для герметичных блоков. С целью интенсификации теплообмена корпус снабжается ребрами охлаждения.

• Локальная принудительная вентиляция – обдув отдельных, наиболее нагретых, элементов.

Для увеличения эффективности воздушного охлаждения элементов РЭС широко используются оребренные поверхности охлаждения. В практике детали с оребренными поверхностями называют радиаторами, или теплоотводами. Радиаторы применяют при охлаждении анодов мощных ламп, полупроводниковых приборов большой мощности и других элементов РЭС.

Жидкостные системы охлаждения делят на естественные и принудительные. При естественном жидкостном охлаждении платы с элементами погружают в жидкость, которая охлаждается в теплообменниках. По сравнению с естественным воздушным охлаждением в этих системах интенсивность теплоотвода значительно выше, однако при этом требуется защищать элементы РЭС от влияния жидкости, что усложняет конструкцию. По этой причине жидкостные системы охлаждения применяются пока сравнительно редко. Принудительное жидкостное охлаждение применяется при больших удельных мощностях рассеивания, чаще всего при охлаждении больших элементов. Жидкость прокачивается насосом через специальные каналы в охлаждаемых узлах приборов или платах.

Испарительное охлаждение может осуществляться при движении низкокипящей жидкости. Охлаждаемая конструкция погружается в жидкость, которая кипит на поверхности теплонагруженных деталей. При этом температура кипения охлаждающей жидкости должна быть ниже допустимой температуры охлаждаемой поверхности. Такое охлаждение позволяет значительно повышать удельную мощность рассеивания РЭС и считается одним из перспективных методов охлаждения. Жидкости, кипящие при низких температурах, используются в конструкциях испарительных трубок.

В основу работы их положены два известных физических явления: передача тепла с потоком пара и капилярный эффект. Зона испарителя соприкасается с охлаждаемым телом. Тепло отбирается в результате парообразования. При этом давление в зоне испарения повышается.

В результате возникшей разницы давлений между зонами испарения и конденсации пар, а следовательно, и тепловая энергия переносится в зону конденсации. Там происходит конденсация жидкости и она снова возвращается в зону испарения.

Кондуктивное охлаждение имеет место во всех рассмотренных системах охлаждения, но не является определяющим, поскольку другие механизмы теплообмена более интенсивны. Кондуктивное охлаждение будет значительным, если платы с расположенными на них греющимися элементами находятся в хорошем тепловом контакте с металлическими шинами, выполняющими роль теплостоков, от которых тепло поступает к коллектору, охлаждаемому с помощью теплообменника.

 

Лекция 3