Конструктивная реализация способов охлаждения.

В зависимости от плотности компоновки ЭС, степени теплонагруженности ее элементов используют различные способы обеспечения заданных тепловых режимов.

Наиболее простыми являются конвективные системы. При естественном воздушном охлаждении герметичных блоков ЭС из-за разной плотности горячего и холодного воздуха происходит его перемешивание.

Рис. 8.3. Перемешивание воздуха.

Эффективность естественной конвекции может быть увеличена за счет применения отверстий в кожухе, через которые более холодный воздух снаружи будет заходить в блок, а более нагретый - в окружающее пространство.

Рис. 8.4. Перемешивание воздуха.

 

Вентиляционные отверстия выполняются в различных вариантах:

А) Металлическая сетка

Б) Перфорация

В) Жалюзи

Г) Вентиляционные    грибки

 

Рис. 8.5. Варианты перфорации.

Принудительное воздушное охлаждение используют для интенсификации теплообмена.

 

Рис. 8.6. Перемешивание воздуха вентилятором.

 

Рис. 8.7. Принудительная вентиляция приточного или вытяжного типа.

 

Жидкостные и испарительные системы более эффективны, т.к. у жидкости плотность и теплопроводность значительно больше воздуха.

Элементы установленные в жидкость отдают ей свою тепловую энергию при естественной конвекции или кипении. Жидкости должны быть инертны и нетоксичны: фреон, спирт, этиленгликоль с Т кипения примерно 25°С.

Рис. 8.8. Внутреннее перемешивание с кипением.

 

Внутреннее перемешивание жидкости повышает эффект внутреннего теплообмена, а наличие теплообменников - внешнего.

 

Рис. 8.9. Внешнее перемешивание.

 

С помощью кондукции можно довольно простыми конструктивно-компоновочными решениями отвести тепло от греющихся элементов. В миниатюрных блоках это практически единственный способ охлаждения.

 

Рис. 8.10. Применение теплообменников или радиаторов.

 

 

Рис. 8.11. Применение теплостока в виде бронзовых плоских пружин

или металлического шнура

 

На эффективность теплоотдачи оказывает влияние шероховатость поверхности, контактное давление (самонарезающие винты), теплопроводность материалов (медь, алюминий), покрытия. Применение пластичных прокладок с большой теплопроводностью (свинцовые, медные, алюминиевые, бронзовые) снижает контактное тепловое сопротивление вдвое, заполнение воздушных прослоек теплопроводящей пастой - в 1,5 раза.

Среди жидкостных систем особое место занимают тепловые трубы, используемые для локального охлаждения.

 

 

Рис. 8.12. Тепловая трубка.

 

Трубка представляет собой металлический корпус 1, внутри которого пористый фитиль 2, заполненный жидкостью с низкой температурой кипения. При нагреве локального участка трубки жидкость, находящаяся в порах фитиля вблизи этого участка, нагревается тоже; при превышении температуры нагрева выше температуры кипения, жидкость испаряется и пар перемещается внутри к более холодному концу трубы. При охлаждении пар превращается в жидкость и по капиллярам фитиля двигается к нагретому концу трубки. Таким образом, тепло переносится от нагретого конца трубы к холодному.

Подобные трубки применяют для охлаждения больших гибридных ИС (БГИС) внутри ЭС (рис.8.13).

Рис. 8.13. БГИС с тепловой трубкой.

БГИС на поликоровой подложке 2, составленная из бескорпусных приборов на балочных выводах 1, размещается на алюминиевом основании 3, закрепленном на алюминиевой охлаждающей трубке 5 с циркулирующим хладоагентом. Охлаждающая трубка размещена на коммутационной плате 6, на которую же подходят выводы навесными проводниками 4 от БГИС.

Для улучшения теплоотвода от несущих конструкций применяют металлические печатные платы (1 - алюминиевая плата; 2 - изоляционный слой; 3 - металлизированные отверстия; 4 - печатная схема).

 

Рис. 8.14. Металлическая плата.

Повышение плотности компоновки приводит к тому, что естественное воздушное охлаждение становится неэффективным. Интенсификация охлаждения достигается увеличением теплоотводящей поверхности - созданием на ней ребер. Ребра выполняются как на кожухе и шасси, так и в виде самостоятельных конструктивных деталей, называемых радиаторами.

Теплоотводящие радиаторы различаются между собой формой ребер и мощностью теплового рассеяния. Наибольшее распространение в РЭС получили радиаторы с ребрами пластинчатой, ребристой, штырьковой, игольчатой форм и спиральной.

 

Рис. 8.15. Пластинчатые радиаторы.

 

Пластинчатые радиаторы изготавливают из стали или алюминия толщиной от 2 до 6 мм. Из-за малой эффективности применяют для небольших мощностей.

Рис. 8.16. Ребристые радиаторы.

Ребристые радиаторы эффективнее пластинчатых. Изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов.

 

Рис. 8.17. Штырьковые радиаторы.

Штырьковые радиаторы имеют более высокий коэффициент теплообмена, чем ребристые. Изготавливаются литьем под давлением.

 

Рис. 8.18. Игольчатые радиаторы.

Игольчатые радиаторы эффективнее штырьковых, но сложнее в изготовлении и дороже.

 

Рис. 8.19.Спиральные радиаторы.

Спиральные радиаторы при одинаковой с игольчатой площадью S имют в 2,5 раза меньший объем и в этом смысле - более эффективны.

Расчет радиаторов сводится к определению их геометрических размеров по заданной мощности теплового рассеивания, максимально допустимом нагреве охлаждаемого элемента и температуре окружающей среды.

Эффективность радиаторов находится в прямой зависимости от количества и размера ребер и их расположения. Минимальная толщина ребра определяется технологическими возможностями литья, а минимальный размер между стенками ребер рекомендуется не менее 4...6 мм для теплообмена. Для улучшения теплового контакта радиаторы устанавливают на алюминиевые, свинцовые, оловянные прокладки, а для электроизоляции - оксидируют контактную поверхность или ставят на прокладки из оксидированного алюминия. Для улучшения турбулентности воздуха ребра покрывают лакокрасочным покрытием.

Выбор вида охлаждения

Каждая система охлаждения имеет свои преимущества и недостатки. Естественная конвекция и теплопроводность наиболее доступны и наименее эффективны. Остальные способы требуют применения специальных средств, усложняющих и удорожающих конструкцию. Способ охлаждения во многом определяет конструкцию и компоновку ЭС, поэтому на начальной стадии конструирования уже нужно выбрать способ охлаждения.

Для прикидочного расчета пользуется построенными на основе практики и представленными в справочной литературе номограммами.

Исходными данными являются габаритные размеры блока, суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, коэффициент заполнения и диапазон температур.

Сначала определяют условную поверхность S охлаждаемого ЭС:

                                 S = 2[L₁L₂ + (L₁ + L₂)L₃K_З],                       (27)

где L₁, L₂, L₃ габаритные размеры блока, м;

К_З - коэффициент заполнения объема.

Затем вычисляется логарифм удельной тепловой мощности

                                               g = lg (P/S),                                  (28)

где Р - суммарная мощность тепловых потерь, Вт (определяется по значению потребляемой мощности и коэффициенту полезного действия устройства).

Теперь определяется минимально допустимый перегрев элементов блока

                                              Dt = t_iмин - t_c,                              (29)

где t_iмин - допустимая температура наименее стойкого элемента по ТУ;

t_c - температура окружающей среды, К.

Откладывая полученные данные по осям, находят зону, соответствующую рекомендуемому виду охлаждения.

Рис. 8.20. Диаграмма выбора системы охлаждения.

На последующих стадиях проектирования конструкции ЭС вид системы охлаждения уточняется.

 

Контрольные вопросы по главе 8

 

1. Механизм и результат влияния теплового режима на ЭС.

2. Оценки теплового режима в ЭС.

3. Тепловая подсистема в ЭС.

4. Задача обеспеченности ЭС от тепла.

5. Принципы, основные элементы и схеvы защиты ЭС от тепловой энергии.

6. Способы отвода тепла в конструкциях ЭС.

7. Кондуктивный теплообмен и возможности его использования в конструкциях ЭС.

8. Конвективный теплообмен и его использование в конструкциях ЭС.

9. Излучение и его использование в ЭС.

10. Конструктивная реализация защиты блоков и шкафов ЭС от тепловой энергии.

11. Конструктивная реализация защиты ячеек и узлов ЭС от тепла.

12. Радиаторы и их типы.

13. Естественно и принудительно-воздушные системы обеспечения теплового режима ЭС.

14. Жидкостные системы охлаждения.

15. Тепловые трубки.

16. Предварительный выбор принципа обеспечения теплового режима ЭС.

17. Способы анализа теплового режима ЭС.