Рациональное проектирование систем кондуктивного охлаждения электронных блоков бортового оборудования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.396.6

А. В. Жук, А. В. Полушкин

ЗАО "Котлин-Новатор" (Санкт-Петебург)

Рациональное проектирование систем кондуктивного охлаждения электронных блоков бортового оборудования

Рассмотрен современный этап развития комплексов бортового электронного оборудования для транспортной авиации. Приведены перечень практических рекомендаций по рациональному проектированию систем кондуктивного охлаждения электронных блоков и зависимости для определения эффективной теплопроводности многослойной печатной платы с теплоотводящими слоями и металлической пластины с геометрической неоднородностью на основных поверхностях.

Кондуктивный теплоотвод, теплопроводность, охлаждение, печатная плата, теплоотводящий слой, электронный комплекс, температурный режим, корпус

Современный этап развития отечественной авиации характеризуется двумя основными направлениями: созданием новых перспективных самолетов и модернизацией эксплуатирующегося авиационного парка.

Повышение автоматизации управления самолетом на всех этапах полета с учетом расширения информационной поддержки при выполнении полетного задания и развития навигационного обеспечения позволяет существенно повысить как эффективность полетов самолетов гражданской авиации, так и выживаемость самолета (экипажа) в сложной тактической обстановке, одновременно сократив загрузку экипажа. Последнее становится особенно актуальным в настоящее время, так как анализ основных причин авиационных аварий подтверждает, что 60 % из них, как правило, являются следствием действий экипажа [1].

Диктуемый указанной постановкой задачи подход к созданию комплексов бортового оборудования (КБО) позволяет использовать единые технические решения и при создании комплексов новых самолетов, и при модернизации бортового оборудования эксплуатируемого парка. Основным отличием комплексов, предназначенных для модернизации, является включение в их состав многофункциональных устройств ввода/вывода, обеспечивающих сопряжение старой аналоговой техники с новой цифровой аппаратурой.

При создании и развитии базового КБО предусматривается широкое применение элементной базы и других комплектующих отечественных поставщиков. Также необходимо широкое использование единой операционной системы реального времени, унифицированных процессорных модулей, единой сети обмена информацией на борту, что позволяет заметно снизить стоимость закупаемых комплектующих при увеличении их надежности за счет массового производства. Единое конструктивное исполнение также снижает затраты на производство аппаратуры [1].

Современные радиоэлектронные средства характеризуются не только сложными алгоритмами работы, но и сложной аппаратурной реализацией. С точки зрения теплового

54

© Жук А. В., Полушкин А. В., 2006

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 5

анализа картина представляется следующей: с одной стороны, плотность монтажа и мощности растут, а с другой - повышается чувствительность элементной базы к температуре. В этой ситуации все сложнее создать "правильную" конструкцию блока в целом и тем более систему обеспечения температурных режимов.

В современных радиоэлектронных бортовых комплексах, работающих в экстремальных условиях, широкое применение нашло размещение блоков в герметичных корпусах с кондуктивным охлаждением [2], [3].

Применение существующих методов анализа тепловых процессов дополнительно увеличивает сложность современной аппаратуры, включающей множество ее составных частей, а значит, и большое количество тепловых связей, что затрудняет построение тепловых моделей [3]. Из практики проектирования известно, что неправильно спроектированная конструкция может свести на нет все преимущества, достигнутые в процессе разработки ее элементов. В то же время рядом специальных конструктивных мероприятий можно существенно улучшить тепловые характеристики аппаратуры и в некоторых случаях скомпенсировать снижающие надежность конструкторские решения.

Рациональное распределение металлизации конструктивных элементов, участвующих в теплоотводе, подбор оптимального соотношения их тепловых и массогабаритных параметров позволяют значительно улучшить массогабаритные и энергетические характеристики блока в целом без снижения эффективности системы теплоотвода.

В настоящей статье представлены практические рекомендации по конструированию электронных блоков в герметичных корпусах с системой кондуктивного охлаждения, а также по определению температурных режимов их работы, выбору параметров системы охлаждения и способу ее реализации на этапах предварительного эскизного проектирования, сформулированные на основе результатов проведенных авторами теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ электрической схемы. Тепловое проектирование радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) должно начинаться с анализа электрической схемы изделия и его отдельных узлов, результатом которого должна стать информация:

• о наличии в узлах блока тепловыделяющих элементов, потребляемой ими электрической мощности и тепловом коэффициенте полезного действия (в соответствии с техническими условиями или техническим описанием) и (как следствие) о значении рассеиваемой тепловой мощности каждого из них;

• о типе и геометрических размерах тепловыделяющих элементов, способе их установки на печатной плате.

Определение конструктивных особенностей узлов. На следующем этапе необходимо выявить конструктивные особенности каждого из узлов, содержащих тепловыделяющие элементы:

• координаты размещения тепловыделяющих элементов на многослойной печатной плате (МПП) и задание способа реализации кондуктивного теплоотвода в узле;

• геометрические и теплофизические параметры теплоотводящих элементов узла;

• параметры теплового перехода "элемент - теплоотвод": способ тепловой связи между элементом и теплоотводом, термическое сопротивление перехода или теплофизические характеристики его составляющих;

• способ обеспечения и теплофизические характеристики теплоперехода "узел - корпус блока".

При выборе способа реализации теплоотвода в узле и его параметров следует иметь в виду нецелесообразность безграничного увеличения общей тепловой проводимости конструкции узла, так как это увеличение, во-первых, эффективно только в определенных пределах для данного блока и, во-вторых, влечет за собой значительный и необоснованный рост его массы, особенно в блоках с большим количеством электронных узлов, нуждающихся в охлаждении. Если в качестве способа теплоотвода в узле выбраны внедрение теплоотводящих слоев в структуру МПП или установка платы на металлическое основание, решающим фактором, определяющим тепловую проводимость узла, является доля площади металлизации зон источника и стока тепла.

Из проведенных исследований следует, что независимо от толщины платы, количества теплоотводящих слоев и их толщины, толщины металлического основания или размеров источников или стоков доля площади металлизации в площади, занятой источником или стоком, должна быть не менее 4 %. Для улучшения теплопередачи через МПП и увеличения доли металлизации рекомендуется толщину металлизации медью сквозных отверстий увеличивать до 35...40 мкм, заполнять эти отверстия припоем 110С61 и запаивать в них медные штырьки1.

При организации теплового перехода "узел - корпус" следует учитывать, что теплопроводность перехода практически не зависит от конструкции и свойств материла прижимного элемента, а основная доля тепловой энергии передается через непосредственное место контакта узла с корпусом блока. На проводимость теплового перехода существенно влияют введение наполнителя (теплопроводной пасты), повышение качества и чистоты обработки, а также величина усилия прижатия контактирующих поверхностей. Расчеты по приведенной в [4] методике, показывают, что удовлетворение этих требований позволяет увеличить теплопроводность перехода в 70-100 раз.

Выбор способа и параметров наружного охлаждения корпуса блока. Можно выделить два основных вида охлаждения корпуса блока: активное (принудительный продув охлаждающего воздуха по трактам корпуса блока) и пассивное (за счет естественной конвекции и излучения в окружающее пространство).

При охлаждении блока воздухом, предварительно подготовленным системой охлаждения объекта-носителя (значения температуры и давления такого воздуха на входе в блок поддерживаются в заданном диапазоне), на температуру корпусов электронных элементов значительно влияет температура этого воздуха. Причем возможность компенсации повышенной температуры охлаждающего воздуха увеличением его массового расхода весьма ограничена. Это связано с тем, что для любых существующих на сегодняшний день вари-

1 Рекомендуемые варианты приведены в порядке ухудшения их технологичности. 56

антов реализации кондуктивных систем охлаждения увеличение расхода воздуха сверх определенной предельной величины при любых значениях коэффициента теплоотдачи и других параметров не приводит к сколь-нибудь существенному снижению температуры корпусов элементов. Теплоотдачу принудительно охлаждаемых стенок наиболее целесообразно увеличивать за счет развития теплоотдающей площади (повышения степени оребрения). Увеличение коэффициента теплоотдачи охлаждаемых стенок блока, связанное с увеличением скорости потока, а значит, и с ростом гидравлического сопротивления охлаждающего тракта блока, также имеет свои целесообразные границы для отдельно взятой конструкции. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи охлаждаемых стенок блока обычно составляет 80... 85 Вт/ (м • К) [5], и превышение этого значения практически не снижает температуру охлаждаемых элементов.

Принудительный обдув корпуса блока окружающим воздухом малоэффективен, поскольку для этого в составе комплекса необходимы вентиляторы или компрессоры, которые увеличивают массогабаритные характеристики изделия, усложняют его конструкцию, создают дополнительные источники шума и снижают надежность. В то же время, как показали проведенные авторами статьи экспериментальные исследования, такой способ охлаждения обеспечивает снижение температуры корпусов тепловыделяющих элементов всего на 3.. .8 °С (в зависимости от конструктивных особенностей блока) по сравнению с пассивным охлаждением корпуса при прочих равных условиях. Таким образом, если предельно допустимая рабочая температура элементов РЭА достаточно высока, сама аппаратура устанавливается в обитаемом отсеке и вокруг охлаждаемых стенок имеется свободное пространство не менее 70.80 мм, а данная РЭА будет эксплуатироваться в составе комплекса на носителе, не имеющем специальной бортовой системы охлаждения, то наиболее рациональным будет применение пассивной системы охлаждения, основанной на отводе тепла от корпуса блока за счет естественной конвекции и излучения в окружающее пространство.

Компоновка блока. Анализ результатов проведенных испытаний систем кондук-тивного охлаждения показал, что максимальная разница поддерживаемого температурного режима для различных схем компоновки блока составляет не более 5.10 °С. Габаритные размеры и форма корпуса на тепловой режим блока практически не влияют. Лучшие тепловые характеристики имеет компоновка, при которой охлаждается максимально возможное количество стенок. При большой удельной тепловой мощности, выделяемой блоком, направление движения принудительно продуваемого охлаждающего воздуха должно совпадать с направлением естественной конвекции. Для снижения гидравлического сопротивления корпуса охлаждающие тракты блока должны иметь минимальную длину, покрывая наибольшую площадь поверхности корпуса; наиболее простую (в идеале прямолинейную) траекторию и плавные обводы, исключающие резкие повороты, внезапные расширения или сужения со значительными изменениями площади поперечного сечения канала. Самые сложные тепловые режимы создает компоновка блока, предусматривающая охлаждение только стенок, не имеющих непосредственного контакта с узлами и с источником питания. В этом случае лишь значительное увеличение толщины стенок, по ко-

торым осуществляется сток тепла от узлов к охлаждаемым стенкам, и многократное снижение теплового сопротивления между этими стенками могут дать ощутимый результат.

Таким образом, главными факторами, определяющими тепловой режим блока, являются непосредственный контакт стенок блока, на которые осуществляется сток тепла с узлов и с источника питания, с окружающим блок воздухом при пассивном охлаждении и наличие каналов охлаждающего тракта в этих стенках при активном охлаждении.

Выбор конструктивных параметров корпуса блока. Толщина стенок корпуса блока в пределах 2...10 мм на температурный режим элементов влияния практически не оказывает. Однако, как показали экспериментальные и теоретические исследования, проведенные авторами настоящей статьи, толстостенные блоки вследствие значительной массы и теплоемкости конструкции обладают высокой тепловой инерцией. Так, блок с теоретической толщиной стенок около 2 мм при наихудших прочих условиях имеет длительность переходного процесса более 60 мин, что значительно превышает требования, предъявляемые техническим заданием. Поскольку утолщение стенок корпуса к тому же увеличивает массу блока, выполнять их значительной толщины нецелесообразно.

Коэффициент оребрения охлаждаемых стенок при наличии принудительного обдува должен иметь максимально высокое значение, которое может ограничиваться только себестоимостью изготовления стенки или ее габаритными размерами. При применении пассивного способа охлаждения корпуса блока увеличение коэффициента оребрения свыше 4.5 нецелесообразно, так как это практически не сказывается на усилении теплоотдачи.

Серьезно влияет на температурный режим блока степень черноты поверхности корпуса. При наличии принудительного обдува корпуса внутренняя поверхность охлаждающего тракта должна быть как можно более черной, все же внешние поверхности такого блока - наиболее светлыми. При пассивном охлаждении корпуса блока степень черноты всей внешней поверхности блока должна приближаться к единице. Для снижения степени черноты рекомендуется использовать светлые эмалевые краски и лаки (степень черноты около 0.6.0.75). Для получения высокого значения степени черноты необходимо покрывать поверхности черным матовым лаком, черной краской или использовать гальваническое покрытие "анодное оксидирование черное" (степень черноты 0.96.0.98).

Контактное термическое сопротивление между охлаждаемыми и неохлаждаемыми стенками блока (при наличии принудительного обдува корпуса) должно иметь максимально высокое значение, а между охлаждаемыми стенками и стенками, участвующими в теплопередаче, - минимальное. При пассивном способе охлаждения термические сопротивления контактов между всеми стенками блока должны иметь минимальные значения.

В целом термические сопротивления переходов и контактные сопротивления играют огромную роль во всей разветвленной структуре тепловых связей рассмотренных систем охлаждения. Поэтому любые контактные сопротивления и сопротивления переходов "корпус элемента узла - теплоотвод узла", "теплоотвод узла - стенка блока" и "элемент источника питания - стенка блока" необходимо снижать всеми возможными способами.

Тепловой расчет. После проведения эскизного проектирования блока с учетом упомянутых рекомендаций необходимо провести проверочный тепловой расчет. Для перехода к основ-

ному этапу конструирования необходимо, чтобы расчетные температуры корпусов всех тепловыделяющих элементов были ниже предельно допустимых рабочих температур каждого из них с коэффициентом запаса не менее чем 10 %. При невыполнения этого условия следует:

• снизить температуру охлаждающего воздуха;

• увеличить массовый расход охлаждающего воздуха;

• уменьшить переходное термическое сопротивление "корпус элемента - теплоотвод узла";

• уменьшить переходное термическое сопротивление "теплоотвод узла - корпус";

• повысить теплоотдачу охлаждаемых стенок увеличением поверхности теплообмена за счет оребрения либо увеличением скорости потока (при неизменном массовом расходе за счет уменьшения проходного сечения охлаждающего тракта).

Перечень мер приведен в порядке убывания их эффективности. Следует еще раз подчеркнуть, что выполнение последних трех пунктов рационально лишь в определенных условиях. Для расширения границ эффективного увеличения всех параметров указанные меры следует выполнять одновременно.

При проведении теплового расчета электронный блок в герметичном корпусе с кон-дуктивным теплоотводом можно представить как систему соединенных между собой пластин. Тогда плату (электронный узел) с тепловыделяющими элементами рационально заменить однородной пластиной с источниками тепла. Места теплового контакта платы с боковыми охлаждаемыми стенками блока будем считать стоками тепловой энергии.

Для замены многослойной структуры платы с теплоотводящими слоями однородной пластиной необходимо определить значение эффективной теплопроводности МПП с теп-лоотводящими слоями.

В блоках с кондуктивным теплоотводом на поверхности плат имеются как источники, так и стоки тепла. Очевидно, что значение тепловой проводимости от занятой источником зоны до зоны стока тепловой энергии будет зависеть от ряда факторов и конструктивных особенностей, а именно:

• от наличия и количества металлизированных отверстий в зоне источника тепловой энергии;

• от наличия и количества металлизированных отверстий в зоне стока;

• от глубины расположения и толщины теплопроводящего слоя;

• от взаимного расположения источника и стока (одностороннее или находящиеся с противоположных сторон платы);

• от размера площадей источника и стока, а также их соотношения.

Для МПП с источником и стоком тепла на поверхности авторами получена приближенная зависимость значения тепловой проводимости , учитывающая указанные особенности:

1

+ _! V

5п 5п г=2

N

'-1 5 ■ 1

V_5с_+ 1

/2 2\ 2 7 5

)=А с) 1/и - ки)пВи) + К ки^Ви 5С1

N

где Хс) - теплопроводность материала)-го слоя; 8п = ^ 8сг- - толщина МПП; N - коли-

г=1

чество слоев МПП; г - номер слоя, отсчитываемый от стороны расположения источника;

Ъс. - толщинау-го слоя; ¡и - размер источника (источник полагается квадратным); ки. -

количество металлизированных отверстий, пронизывающих у-й слой в области источника; %0 - теплопроводность материала металлизированных отверстий; Ви - диаметр металлизированных отверстий в области источника.

Введя в рассмотрение относительную металлизацию площадки под источником теп-

2 12

ла Ми = ки.пОИ ¡и , для получим:

В некоторых случаях можно предложить следующий прием перехода от неоднородного тела к однородному [3]. Пусть элементы конструкции, участвующие в процессе обеспечения теплового режима, состоят из одинаковых элементов, распределенных в пространстве в определенной закономерности. Тогда геометрические и физические свойства конструкции периодически повторяются.

В такой конструкции можно выделить наименьший объем, многократным повторением которого формируется исходная система. Назовем этот объем элементарной ячейкой (ЭЯ). Нетрудно показать, что эффективные коэффициенты теплопроводности ЭЯ и всей системы совпадают. Поэтому задача определения эффективных коэффициентов теплопроводности системы сводится к более простой задаче - определению таких коэффициентов для ЭЯ. Данный прием определения эффективной теплопроводности системы тел применим к таким элементам конструкции блока РЭА, как пластины с пазами на основных поверхностях, а также МПП, имеющие теплоотводящие слои [2].

Рассмотрим, например блок с боковыми охлаждаемыми кондуктивным теплоотводом стенками, на одной из основных поверхностей которых имеются направляющие для установки узлов, а на другой - выполнены ребра радиатора, увеличивающие поверхность теплоотдачи. Направляющие и ребра выполнены фрезерованием пазов в металлической пластине. Взаимная ориентация пазов на противоположных поверхностях может быть различна и зависит от направления движения охлаждающего воздуха и от ориентации пазов, которые могут быть выполнены вдоль одной оси или вдоль взаимно перпендикулярных осей.

Получено выражение для эквивалентной теплопроводности пластины, на обеих сторонах которой выполнены пазы. Эффективная теплопроводность такой пластины отлична от теплопроводности монолитной (однородной) пластины той же толщины, поскольку тепловой поток, распространяющийся в пластине, будет преодолевать дополнительное термическое сопротивление, вызванное неоднородностями в виде внезапных сужений и расширений площади поперечного сечения в направлении распространения теплового потока [6], [7]. При этом значения теплопроводности пластины в направлении ее геометрических осей могут значительно отличаться друг от друга.

Рассмотрим пластину, основная плоскость которой лежит в плоскости х0у. Если на верхней поверхности пластины пазы направлены вдоль оси х, а на нижней поверхности -вдоль оси у, то теплопроводности вдоль основных осей определяются как

1

1

¡И [^ (1 -ми)+Х0Ми ] м.

+

5н + 1-5н

—

(8в/) + [(1 -8 (8 Д4э ) + [(l-8в )/Чэ.

^ = 1_ 8в , 8в

у (8нДь) + [(l-8 н )/^2э V^4э ]

^z = (l - 5в ) [М-1э + (l - 5н )^2э ] + 5в [5н^3э + (l - 5н )^4э ] , где 8н = (5н/Sh); SB = (5JSB); = 1 (^ + d0)/(^ + hB + do); ^2э = ^do/(hH + hB + d0); ^3э = X ; ^4э = X (hB + do )/ (hH + hB + do); 5н, 5в - толщины пазов на нижней и на верхней поверхностях пластины соответственно; SH, SB - шаги пазов на нижней и на верхней поверхностях пластины соответственно; hн, h - глубины пазов (высота выступов) на верхней и нижней сторонах пластины соответственно; do = 5-hн-hв; X - теплопроводность

материала пластины; 5 - толщина пластины.

Если на обеих поверхностях пластины пазы направлены вдоль оси x, то

Ь x = bz = Ь1э 5н + Ь2э ( 5в-5н ) + Ь3э (l-5в ) ; ^y = [§н/ + ( 8в-8н )/Чэ + (l-8в )/ ^3э ] ,

где ; Х2э =X (hB + do )/(hH + hB + do ) ; ^3э =Mol (hH + hB + do ) .

Для случая разнородных по толщине выступов на какой-либо поверхности пластины в расчете следует использовать усредненные значения этих толщин.

Библиографический список

1. Жук А. В. Развитие комплексов бортового оборудования для транспортной авиации // Аэрокосмическое обозрение. 2oo5. № l. С. 66-68.

2. Дульнев Г. Н., Семяшкин Э. М. Теплообмен в радиоэлектронной аппаратуре. Л.: Энергия, 1968. 282 с.

3. Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сигалов А. В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 199o. 3l2 с.

4. Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. 216 с.

5. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975. 532 с.

6. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, 197o. 478 с.

7. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высш. шк., 1967. 22o с.

A. V. Zhuk, A. V. Polushkin

JSC "Kotlin-Novator" (Saint-Petersburg)

Rational designing of the systems of avionics electronic units conductive cooling

The modern phase of development of electronic on-board complexes for transport aviation is presented. The list ofpractical recommendations for rational designing of the systems of avionics electronic units conductive cooling and the dependence to define an effective thermal conductivity of multi-layer printed board with heat removal layers and metal plate with geometrical heterogeneity on the main surfaces being elements of the conductive heat removal is presented.

Conductive heat removal, thermal conductivity, cooling, printed board, heat removal layer, electronic complex, temperature mode, body

Статья поступила в редакцию 26 октября 2oo6 г.