CC BY
24
УДК 658.51.011.56
ВЛИЯНИЕ ОБЪЁМА НАГРЕТОЙ ЗОНЫ И ИНТЕНСИВНОСТИ СИСТЕМЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА МАКСИМАЛЬНЫЙ ПЕРЕГРЕВ АППАРАТА
НЕВЛЮДОВ И. Ш, СИНОТИНА.М.
щего систему поверхностного охлаждения для аппаратов с эффективной теплопроводностью X 0 = 0,2Вт / м • град [1]. Из графиков следует, что начальный параметр Fo можно минимизировать путем уменьшения отношения Ро / -&0 , увеличения объема нагретой зоны V и интенсивности поверхностного теплообмена К о.
Рассмотрим каждый фактор в отдельности.
Уменьшение отношения Ро/3о вызывает определенные требования к разработке электрической схемы аппарата.
Приводятся результаты исследования влияния объёма нагретой зоны и интенсивности системы поверхностного охлаждения на максимальный перегрев аппарата.
Для создания надежных и компактных радиоэлектронных аппаратов, наряду с созданием электрических схем, необходимо учитывать температурный режим элементов будущей конструкции.
Влияние объема аппарата на максимальный перегрев прибора можно выразить через начальный параметр F0:
F
Ро 1 о,82Ао (1)
3 о 4А^V 3ц2 ;
Віо =. і. ^V X о 2 , (2)
о
где Ро — суммарная мощность источников тепла, Вт; Зо — максимальный допустимый перегрев прибора, град; X о — эффективная теплопроводность при отсутствии теплостоков при газовом заполнителе, Вт/м.град; V — объём нагретой зоны, м3; Ао, цо — амплитуда и собственные значения характеристического уравнения при Bj о ; К о — средний поверхностный коэффициент теплопередачи, Вт/м2 трад.
Начальный параметр Fo характеризует тепловой режим следующей конструкции РЭА:
— нагретая зона имеет форму куба
о =^Уо =^Z о =1,
где о = 21шіі /21і, і = X, Y, Z, (3)
— анизотропность по теплопроводности в объёме и теплообмену на поверхностях отсутствует:
Xx=XY = XZ =Х о; Кх =KY =KZ =К о;
—кондуктивные теплостоки отсутствуют X шах =Х о;
— мощность источников тепла распределена равномерно.
На рисунке приведена зависимость параметра Fo • До /Ро ' 1о2 от объема нагретой зоны прибора и коэффициента теплопередачи К о , характеризую-
Зависимость начального параметра Fo от объёма нагретой зоны (^V) и интенсивности поверхностного теплообмена К о при X о = о,2Вт / м • град
Для реализации схемных решений целесообразно выбирать элементную базу c наименьшей потребляемой мощностью и материалы с высокой температуростойкостью. В случае необходимости использования отдельных элементов с малой допустимой температурой перегрева Зо желательно выделять эти элементы в самостоятельную группу, чтобы не усложнять обеспечение заданного теплового режима конструкции прибора в целом. Это замечание очень важно учитывать при выборе элементной базы электрической схемы, так как после задания конструктору электрической схемы он лишен возможности влиять на фактор рассеиваемой мощности и температуростойкости элементов схемы.
Анализ зависимостей (см. рисунок) показывает, что для одноблочных кубических конструкций аппаратов с размером ^V > о,5 м минимизация начального параметра Fo из-за увеличения объема нагретой зоны (плотности размещения элементов) и перехода к более интенсивной системе поверхностного охлаждения К о = становится практически невозможной.
Наоборот, для конструкций размером W < о,5 м увеличение объема и рост К о приводят к уменьшению Fo в три раза при ^V = о,1 м и в два раза при W = о,з м за счет изменения К о от 4 Вт/
м2 • град до да . Практически уже при К о > 1оо Вт/ м2 • град наступает предельный случай, т. е. для аппаратов с газовым заполнением (с малой эффек-
11
РИ, 2002, № 4
тивной теплопроводностью Х0 = 0,2 Вт/м.град) нецелесообразно использовать жидкостные и другие более эффективные системы поверхностного охлаждения.
Предельная минимизация Fo может быть осуществлена с помощью вынужденного конвективного воздушного охлаждения (а =10—100 Вт/м-град) [3].
Коэффициент теплопередачи
К о =
K:Sk/S 1 + K^k/ aS
(4)
где К о — коэффициент теплообмена через газовую прослойку от нагретой зоны к кожуху, Вт/м2- град; a — коэффициент теплообмена между поверхностью кожуха и окружающей средой, Вт/м2-град; s к, s — площади поверхностей кожуха и нагретой зоны, м2.
Анализ выражения (4) и значений коэффициентов
теплообмена для различных типов систем охлаждения [3] позволяет наметить два пути увеличения К о для минимизации параметра Fo и синтеза конструкции с заданным тепловым режимом по максимальному перегреву. Первый путь — чисто конструктивный при небольших значениях К о , т.е. для радиоэлектронных аппаратов, предназначенных функционировать в условиях естественного охлаждения воздухом.
Расчеты большого количества конструкций приборов [2] показали, что имеет место равенство проводимостей между нагретой зоной и кожухом, а также с окружающей средой:
К1 • S «a-SK. (5)
После подстановки (5) в (4) получим К о = a • S^ , т.е. применение кожуха практически в 2 раза снижает эффективность поверхностного охлаждения.
При совмещении кожуха аппарата с нагретой зоной (sk = S), К1 и К о = К .
Таким образом, чисто конструктивным путем, совмещая кожух прибора с нагретой зоной, можно увеличить К о в два раза.
При этом следует обеспечить хороший тепловой контакт между нагретой зоной и кожухом, например, применяя высокотеплопроводные пасты в стыках между платами (шасси), гранями кожуха и т.д. Рассмотренный метод наиболее эффективен тогда, когда требуется сохранить герметичность (пылезащищённость) аппаратуры.
Можно пойти и другим конструктивным путем: уменьшить влияние кожуха на интенсивность теплостоков за счет нарушения герметичности и обеспечения непосредственного контакта нагретой зоны с охлаждающим воздухом через перфорационные отверстия (жалюзи). Тогда выражение для К о в первом приближении примет вид
Ко = К*о(1 + Snep /Sk) , (6)
где Snep. — площадь перфорационных отверстий, м2; К о — определяется выражением (6) при Snep. = о. Отношение snep. / Sk называется коэффициентом перфорации. Более строгий учет ее приведен в работе [3]. Практически уже при Snep. /SK = 0,5— 0,6 значение К о близко к К* , т.е. достигается предельный эффект минимизации F0 .
Рассмотренные конструктивные методы не позволяют существенно изменять коэффициент теплопередачи К . Для существенного изменения интенсивности теплообмена на поверхности нагретой зоны необходим переход от естественного к вынужденному поверхностному охлаждению путем продувки воздуха, т. е. требуются дополнительные изменения в конструкции аппарата. При этом согласно равенству (2) необходимо либо одновременно увеличить интенсивность теплообмена между нагретой зоной и кожухом (К1), кожухом и окружающей средой (а), либо предварительно совместить кожух с нагретой зоной [к1 . В противном случае рост К о будет
незначительным, несмотря на существенное увеличение a . Таким образом, второй путь минимизации предусматривает переход к новой системе охлаждения с предварительным совмещением кожуха с нагретой зоной, особенно в конструкциях с плотным монтажом.
Увеличение объема нагретой зоны за счет уменьшения плотности размещения элементов находится в противоречии с требованием минимизации размеров конструкции, поэтому может быть применено только в том случае, когда отсутствуют жесткие ограничения на размеры конструкции в техническом задании.
Изменение объема в 8 раз (на участке < 0,5 м)
приводит к уменьшению Fo в три раза при К о = 4 Вт/м.град и в два раза при Ко (см. рисунок).
Такое изменение объема может быть осуществлено переходом от монтажа высокой плотности (цм > 1) к монтажу малой (цм и 1).
Литература: 1. Майко И. М., Синотин А. М. Экспериментальное определение эффективной теплопроводности нагретых зон радиоэлектронных аппаратов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1972. Вып. 2. C. 13-17. 2. Майко И. М., Детинов Ю. М, Синотин А. М. О теплофизическом конструировании одноблочных радиоэлектронных аппаратов с заданным тепловым режимом // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО. 1974. Вып. 1. С. 80-87. 3. ДульневГ. Н, Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971. 248 с.
Поступила в редколлегию 21.09.2002
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Алипов Н.В.
Невлюдов Игорь Шакирович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ТАПР ХНУРЭ. Научные интересы: технология, автоматизация и производство радиоэлектронной аппаратуры. Адрес: Украина, 61128, Харьков, пр. 50 СССР, 16, кв. 477, тел. 40-94-86.
Синотин Анатолий Мефодиевич, канд. техн. наук, доцент, методист профильного отдела НМУ. Научные интересы: проектирование, автоматизация и производство радиоэлектронной аппаратуры. Адрес: Украина, 61174, Харьков, пр. Победы, 57 “ Г “, кв.35, тел. 40-94-59.
РИ, 2002, № 4
12
