Тепловой режим РЭА

1 Расчетно-теоретическая часть

1.1 Вопросы теплообмена в радиоэлектронной аппаратуре

1.1.1 Тепловые режимы РЭА

В электронных  средствах (ЭС) только часть поступившей  электрической энергии преобразуется в полезный сигнал. Так, трансформаторные блоки питания имеют коэффициент полезного действия около 60 -70 %, импульсные – до 95 %, усилители мощности в зависимости от их класса – от 30 до 85%. Это приводит к тому, что внутри ЭС значительная часть подводимой энергии превращается в тепло. Электронные средства представляют собой систему многих тел с внутренними источниками тепла. Температурное поле блока зависит от мощности и распределения источников тепла, конструкции, режима работы ЭС и его системы охлаждения, геометрических параметров, физических свойств материалов несущих конструкций, условий его эксплуатации.

Тепловые режимы радиоэлектронных аппаратов (РЭА) в  значительной степени определяют надежность их работы. Микроминиатюризация устройств электроники привела к необходимости еще больше обращать внимание на тепловые режимы аппаратуры. В связи с этим в многочисленных научно-исследовательских институтах и заводах радиотехнического профиля организованы группы, лаборатории и отделы для обеспечения нормальных тепловых режимов вновь проектируемой аппаратуры.

Исследования  тепловых режимов радиоэлектронных устройств выдвинули также новые проблемы в области теории теплопроводности. С позиции теплофизики радиоэлектронный аппарат представляет собой систему многих тел с источниками и стоками энергии, сложным образом распределенных в пространстве и во времени. В редких случаях температурное поле такой системы можно описать с помощью простейших математических моделей однородных тел (цилиндр, шар, пластина, полупространство и т.д.) которые хорошо изучены в теории теплопроводности. Поэтому лицам, занимающимся исследованием тепловых" режимов РЭА, приходится решать не только конкретные инженерные задачи, но и искать общие закономерности, управляющие пространственно-временным изменением температурного поля в сложной системе тел. Определение таких закономерностей имеет не только научное, но и практическое значение: в системах многих тел с источниками и стоками энергии количество комбинаций размеров, форм, свойств тел и т. п. настолько велико, что эмпирические поиски приемлемого варианта конструкции становятся экономически неоправданными. Заметим, что сложные системы тел встречаются не только в радиоэлектронике, но и в других областях приборостроения, например, в оптике, гироскопии, автоматике. Поэтому возрастает интерес инженеров - приборостроителей к теории теплообмена вообще и, в частности, к тем разделам теплопроводности, в которых изучаются сложные системы тел.

Совокупность  температур всех элементов, из которых  собран радиоэлектронный аппарат, т. е. его температурное поле, характеризует тепловой режим аппарата. Все элементы, из которых состоит аппарат, должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным; если выполняются два условия: 1) температура элемента в условиях эксплуатации заключена в пределах, ограничивающих диапазон температур, допустимых для данного элемента; 2) температура элемента такова, что будет обеспечена его работа с заданной надежностью (второе условие более общее). Выполнение второго условия для конкретного элемента может быть связано с необходимостью обеспечения заданных количественных характеристик его надежности, постоянства температуры во времени, устойчивости работы схемы и т. п. Тепловой режим аппарата считается нормальным, если для всех элементов, смонтированных в аппарате, выполняются сформулированные выше условия.

Если первое условие, определяющее понятие «нормальный  тепловой режим», применимо к аппаратуре различного функционального назначения, то второе условие необходимо формулировать для каждого вида аппаратуры, подчеркивая особенности режима ее работы.

Обеспечение нормального  теплового режима является одной  из главных задач, решаемых при проектировании аппаратуры. Для решения этой задачи принимается ряд мер: выбирают определенные типы элементов в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры; уменьшают мощности рассеяния элементов; вводят в аппаратуру специальные нагреватели, разогревающие ее при отрицательных температурах среды; применяют рациональное размещение элементов, узлов и блоков; выбирают форму и размеры отдельных конструктивных составляющих, термостатируют узлы и блоки, наконец, применяют специальные средства охлаждения отдельных элементов и аппаратуры в целом. Как правило, меры, применяемые для обеспечения нормального теплового режима элементов и аппаратуры, приводят к увеличению габаритных размеров, необходимости установки дополнительного оборудования, перерасходу электроэнергии, увеличению веса и усложнению конструкции. Поэтому очень важно технически грамотно обосновать применяемые меры. Конструктор должен найти оптимальное решение, компромиссное между необходимостью обеспечить нормальный тепловой режим элементов и недопустимостью увеличения потребления энергии, веса, габаритов и т. д. Обоснование мер по охлаждению аппаратуры может быть получено путем расчета ее тепловых режимов или экспериментирования на тепловых и реальных макетах РЭА. Решение задач, связанных с обеспечением нормального теплового режима аппаратуры, должны выполнять специалисты, обладающие знаниями в области теплофизики и конструирования радиоэлектронной аппаратуры.

 

1.1.3 Анализ теплового режима РЭА

При изучении теплового режима ЭС задача формулируется в следующем виде: найти температуру t_i какой-либо j-ой области (точки, поверхности или объема) аппарата в зависимости от времени и суммарной мощности W источников тепла, действующих в аппарате, при заданных условиях его эксплуатации, т.е.

t_i = t_i (τ; w). (1.1)

Температуру t_i можно представить как сумму температуры t_c среды, окружающей блок, и перегрева Θ_j по отношению к температуре среды, возникающего в результате действия всех источников тепла, сосредоточенных в блоке. Для того чтобы выделить влияние источников тепла на тепловой режим j-й области блока, зависимость (1.1) удобно представить в следующем виде:

Θ_j = t_j - t_c = Θ_i (τ; w). (1.2)

В установившемся тепловом режиме перегрев Θ_ј не зависит от времени, т.е.

Θ_ј = Θ_ј (w).   (1.3)

Зависимость перегрева Θ_ј от суммарной мощности w всех источников тепла, действующих в блоке, называется тепловой характеристикой ј-ой области аппарата.

Исследование тепловых режимов  ЭС сводится к экспериментальному или  аналитическому определению вида зависимостей (1.2) или (1.3) и состоит из следующих основных этапов:

1) определение класса  изучаемого блока;

2) построение тепловой  модели рассматриваемого класса;

3) построение математической  модели теплового режима блока  и ее решение;

4. оценка точности решений.

 

1.1.4 Определение класса радиоэлектронного аппарата

Класс объединяет радиоэлектронные аппараты, имеющие общие конструктивные признаки и одинаковую физическую основу протекания процессов теплообмена.

Существенное влияние  на процессы теплообмена в аппаратах  оказывают конструкции их корпусов. Возможные конструкции корпусов целесообразно разделить на герметичные, вентилируемые и снабженные специальными теплообменниками.

Герметичные корпуса. Общим признаком ЭС в герметических корпусах является практическое отсутствие воздухообмена между окружающей средой и внутренним объемом корпуса. Герметичные корпуса применяются в условиях, когда необходимо защитить ЭС от воздействия влаги, радиации, проникновения пыли, обеспечить работу в условиях пониженного давления

Вентилируемые корпуса. Корпуса вентилируемых ЭС снабжаются различными устройствами, обеспечивающими естественный или принудительный воздухообмен между окружающей средой и внутренним объемом корпуса.

Конструкции ЭС с  теплообменниками. При жидкостном, испарительном, кондуктивном и комбинированном охлаждении ЭС их корпуса оснащаются теплообменниками, конструкция и режим работы которых существенно влияет на тепловой режим аппарата.

Характер процесса теплообмена  в радиоэлектронных аппаратах в  большой степени зависит от структуры нагретой зоны.

Нагретой зоной называют часть объема блока, шасси или электронных модулей со смонтированными на них элементами. Всевозможные нагретые зоны блока можно условно разделить на три группы.

К первой группе относят  нагретые зоны, в которых сравнительно крупные элементы (трансформаторы, дроссели, конденсаторы и т.п.) крепятся на металлическом шасси.

  Ко второй группе относятся нагретые зоны, в которых микросхемы и другие элементы, входящие в состав конструкции, крепятся к платам  из электроизоляционного материала. Количество плат в таких нагретых зонах может быть достаточно большим.

Наконец, к третьей группе относятся нагретые зоны, в которых  отсутствуют ясно выраженные платы или шасси, и элементы расположены в объеме корпуса хаотично.

Если нагретая зона блока  содержит шасси или платы, то условия  теплообмена внутри аппарата существенно зависят от их ориентации (горизонтальное или вертикальное расположение, наличие каналов для циркуляции воздуха).

Таким образом, при определении  класса радиоэлектронного аппарата учитываются следующие признаки:

1) способ охлаждения корпуса  блока;

2) способ охлаждения нагретых  зон;

3) количество и конструктивные  особенности нагретых зон.

Например, в один класс  можно выделить ЭС, у которых нагретая зона состоит из совокупности плат с элементами, расположенными в герметичном  корпусе. К другому классу отнести  радиоаппараты с общей принудительной вентиляцией, нагретая зона которых  представляет собой шасси с расположенными на нем элементами. Заметим, что при определении класса функциональное назначение ЭС (приемник, передатчик, усилитель и т. д.) не учитывается.

 

1.1.4.1 Способы охлаждения

Более подробно следует рассмотреть сами способы охлаждения радиоэлектронных средств и определиться с основными понятиями в этой области.

В большинстве случаев  для охлаждения аппаратуры необходимо усложнять конструкцию аппарата. Совокупность устройств и конструктивных элементов, применяемых для охлаждения, назовем системой охлаждения аппарата. Используемые в радиоэлектронной аппаратуре системы охлаждения разделим на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные.

Воздушными называют такие системы охлаждения, в которых в качестве теплоносителя используется воздух. В жидкостных системах охлаждения теплоносителем являются различные капельные жидкости, не доведенные до кипения. Испарительными называют системы охлаждения, в которых используют кипящие жидкости. При кондуктивной системе охлаждения отвод тепла от нагретых частей аппаратуры осуществляется за счет теплопроводности. При этом нагретые и холодные части аппарата находятся в непосредственном контакте или соединены специальными металлическими проводниками. К кондуктивному может относиться охлаждение при помощи термоэлектрических устройств. Наконец, в комбинированных системах охлаждения аппаратуры применяются различные сочетания перечисленных выше систем.

Рис 1.1 Системы охлаждения

а – воздушное, б –  жидкостное, в – испарительное, г – кондуктивное.

В зависимости от характера  контакта теплоносителя и источника тепла различают системы охлаждения прямого и косвенного действия. В системах охлаждения прямого действия теплоноситель непосредственно омывает поверхности источников тепла. В системах охлаждения косвенного действия источник тепла и поверхности теплообмена разделены различными конструктивными элементами, выполняющими роль проводников тепла, так называемых тепловых мостов.

Системы охлаждения радиоэлектронной аппаратуры разделяют на системы общего и локального (местного) охлаждения. При общем охлаждении производится охлаждение всех элементов аппаратуры, при локальном — отдельных наиболее нагруженных или наименее термостойких радиодеталей и узлов.

Воздушные, жидкостные, испарительные  и комбинированные системы охлаждения могут быть спроектированы по разомкнутому или замкнутому циклам. В системе, организованной по разомкнутому циклу, отработанный (нагретый) теплоноситель удаляется из системы и больше не используется. Во втором случае нагретый теплоноситель охлаждается и вновь поступает в систему охлаждения. Для охлаждения теплоносителя применяются теплообменники.

Системами охлаждения с промежуточным теплоносителем называют такие системы, в которых тепловая связь между теплоносителем, омывающим источники тепла, и окружающей средой осуществляется при помощи дополнительного контура, в котором протекает промежуточный теплоноситель.

Эффективность того или иного способа охлаждения определяется интенсивностью протекающих процессов теплообмена. При этом чем интенсивнее теплообмен, тем эффективнее способ охлаждения. Как известно, интенсивность теплообмена определяется величиной коэффициента теплообмена. Ниже приведены ориентировочные значения этих коэффициентов в Вт/(м²*град) для различных видов теплообмена