CC BY
46
УДК 681.382
Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., Габитов И.А.
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НА БАЗЕ ПЛАВЯЩИХСЯ ВЕЩЕСТВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ ТЕПЛОСЪЕМОМ
Ismailov T.A., Evdulov O. V., Evdulov D. V., Gabitov I.A.
DEVICES FOR COOLING COMPONENTS OF ELECTRONIC EQUIPMENT ON THE BASIS OF CONSUMABLE SUBSTANCES WITH SUBSIDIARY AIR HEAT REMOVAL
В статье рассмотрены конструкции устройств для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненных на базе плавящихся рабочих веществ с дополнительным воздушным теплосъемом. Рассмотрены две конструктивные модификации приборов.
Ключевые слова: охлаждение, элемент РЭА, плавящееся рабочее вещество, воздушный теплоотвод, модификация.
The article deals with the design of devices for cooling components of electronic devices formed on the basis of melting agents working with additional air heat removal. We consider two structural modifications of devices.
Key words: cooling, the element of REA, melting the working substance, air heat sink modification.
В радиоэлектронном приборостроении существует целый класс РЭА, в процессе своей эксплуатации подвергающийся однократным или повторно-кратковременным «пиковым» тепловым нагрузкам [1]. Такого рода тепловые нагрузки возникают при резком возрастании собственного тепловыделения элементов РЭА, при кратковременном воздействии на аппаратуру внешних тепловых потоков и ряда других факторов. При воздействии пиковых тепловых нагрузок аппаратура, как правило, не успевает выйти в стационарный тепловой режим, поэтому для создания оптимальной по массе и габаритам системы охлаждения, а, следовательно, и аппаратуры в целом необходимо использовать теплоаккумулирующую способность конструкции или применять специальные средства отвода теплоты, с помощью которых можно обеспечить снижение скорости ее разогрева и стабилизацию температурного режима наиболее мощных тепловыделяющих элементов РЭА.
Для поглощения теплоты, выделяющейся при повторно-кратковременных включениях аппаратуры, целесообразно применять обратимые процессы, которые сопровождаются значительными эндотермическими эффектами при фазовых или химических превращениях рабочих веществ.
В лаборатории полупроводниковых термоэлектрических приборов и устройств Дагестанского государственного технического университета разработаны устройства, позволяющие использовать систему охлаждения с плавящимися веществами при незначительных промежутках времени в перерывах работы циклически работающей аппаратуры, а также повысить эффективность системы охлаждения.
На рис.1 изображена первая модификация устройства [2].
Устройство содержит тонкостенный металлический контейнер 1, заполненный рабочим веществом 2, на одной из торцевых поверхностей которого размещается элемент РЭА 3. Металлический контейнер 1 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, с двух противоположных боковых граней (меньшей площади) которого в верхней и нижней
части имеются выступы 4. Толщина выступов 4 соответствует толщине металлического контейнера 1, а высота и длина выступов равны соответственно 1/4 его высоты и длины. Выемки в совокупности с кожухом 5, выполненным из высокотеплопроводного материала и крепящемся на металлическом контейнере 1 по краям выступов 4, образуют воздухопровод б.Воздухопровод 6 имеет форму трубы прямоугольного сечения высотой, соответствующей высоте выемок и огибающей три боковые грани металлического контейнера 1 (одну грань большей площади и две грани - меньшей), на входе 7 и выходе 8 которой установлены вентиляторы 9, запитываемые от источника электрической энергии (на рис. не показан). Причем один из вентиляторов работает на вдув воздушного потока в воздухопровод, а второй - наего выдув.
Вид сбоку 3
Вид сверху 6
5
5
1
2
3
9
9
Рисунок 1. Конструкция первой модификации устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, основанном на совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и воздушной системы теплоотвода
5
Прибор функционирует следующим образом.
В процессе цикла работы элемента РЭА 3 тепло, поступающее от него, передается металлической емкости 1 и через поверхность соприкосновения - рабочему веществу 2. Происходит прогрев рабочего вещества 2 до температуры плавления и процесс плавления. Температура оболочки металлической емкости 1 и, соответственно, элемента РЭА 3 не будет существенно возрастать по сравнению с температурой плавления рабочего вещества
2, пока существуют обе фазы (твердая и жидкая). По окончании цикла работы элемента РЭА 3 остывание и затвердевание рабочего вещества 2 происходит за счет теплообмена с окружающей средой. Система, состоящая из воздухопровода 6 с установленными на его входе 7 и выходе 8 вентиляторами 9, запитываемыми от источника электрической энергии, позволит интенсифицировать этот процесс за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от поверхности металлического контейнера 1 в окружающую среду за счет организации принудительного обдува области металлического контейнера 1, ограниченной выемками.
При организации отвода тепла от элементов РЭА 3 с повышенным уровнем тепловыделений предусматривается принудительный воздушный теплосъем при питании вентиляторов 9 электрической энергии в цикле работы элемента РЭА 3.
Для увеличения скорости охлаждения и затвердевания наполнителей разработана вторая модификация описанного выше прибора [3]. Конструкция прибора представлена на рис.2.
Устройство содержит тонкостенный металлический контейнер 1, заполненный рабочим веществом 2, имеющим стабильную температуру плавления, совпадающую с температурой статирования размещенного на нем элемента радиоэлектронной аппаратуры
3. Обе боковые поверхности металлического контейнера 1 профилированы с образованием выступов в виде «лесенки». Причем каждый последующий выступ смещен по отношению к предыдущему вниз и к центру контейнера.
Внутри тонкостенного металлического контейнера 1 с рабочим веществом 2, в каждой из его частей, ограниченной выступами, на жестких креплениях 4 размещены гибкие мембраны 5, внешний вид (вид сверху и сбоку) которых показан на рис.2. Каждая мембрана имеет ребристую поверхность, образованную двумя группами ребер 6, 7. Ребра 6, 7 образованы пластинами, вырезанными в мембране и отогнутыми под углом 30° к горизонтальной плоскости, причем ребра 7 расположены под углом, противоположным углу расположения ребер 6. В непосредственной близости от краев мембран 5 и частично в тонкостенном металлическом контейнере 1 помещены электромагниты 8, питаемые электрической энергией через блок управления 9, электрически связанный с датчиками температуры 10, размещенными в объеме металлического контейнера 1 с рабочим веществом 2 вблизи мембран 5.
Количество датчиков температуры 10 соответствует количеству мембран 5. От воздействия окружающей среды элемент радиоэлектронной аппаратуры изолируется теплоизоляцией 11.
Устройство работает следующим образом.
Тепло, поступающее от элемента радиоэлектронной аппаратуры 3, передается тонкостенному металлическому контейнеру 1 и через поверхность соприкосновения -рабочему веществу 2. Далее одновременно происходит прогрев рабочего вещества 2 до температуры плавления и процесс плавления, связанный с появлением жидкой фазы рабочего вещества 2 и ее перемещением в вертикальной плоскости в направлении, противоположном размещению элемента радиоэлектронной аппаратуры 3.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 27, 2012.
11 3
ИГ
Подвод электрической энергии
Вид сверху
/?/?/?/?/?/?/?_<\ ^ <\ <\ <\
Вид сбоку
6
7
6
7
Рисунок 2. Конструкция второй модификации устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, основанного на совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и воздушной системы теплоотвода
До тех пор, пока жидкая фаза расплавленного рабочего вещества 2 не переместится до места расположения первого датчика температуры 10, блок управления 9 не осуществляет подвод электрической энергии к первой паре электромагнитов 8. При проплавлении рабочего вещества 2 до места расположения первого датчика температуры 10 с последнего передается электрический сигнал на устройство управления 9, которое начинает осуществлять питание электрической энергией верхней пары электромагнитов 8. Мембрана 5, прикрепленная на жестких подвесах 4 к тонкостенному металлическому контейнеру 1, при осуществлении подвода электрической энергии к первой паре электромагнитов 8 начинает вибрировать, причем частота колебаний мембраны должна составлять 50 -100 Гц. Вибрация мембраны 5 в вертикальной плоскости способствует появлению и развитию в жидкой фазе рабочего вещества 2-х конвекций. При этом перенос тепла от нагреваемой верхней стенки тонкостенного металлического контейнера 1 к плавящейся при постоянной температуре поверхности раздела фаз осуществляется в основном не теплопроводностью, а за счет циркуляции снизу вверх и обратно нагретых и ненагретых слоев жидкости. Значение теплового сопротивления расплавленного слоя рабочего вещества 2 при этом значительно снижается, что способствует повышению интенсивности теплообмена между стенкой металлического контейнера 1 и рабочим веществом 2.
При дальнейшем тепловыделении элемента радиоэлектронной аппаратуры 3 и, соответственно, при достижении жидкой фазы расплавленного рабочего вещества 2 второго датчика температуры 10 в соответствии с поступившим с него электрическим сигналом устройство управления 9 начинает осуществлять питание электрической энергией второй пары электромагнитов 8. При этом будет иметь место вибрация уже двух мембран 5. При дальнейшей работе элемента радиоэлектронной аппаратуры 3 посредством датчиков температуры 10 и устройства управления 9 к процессу теплообмена будут подключаться последовательно следующие мембраны 5.
При прекращении работы элемента РЭА 3 будет происходить обратный процесс, т. е. по мере затвердевания рабочего вещества 2 и перемещении границы раздела фаз от поверхности, противоположной размещению радиоэлектронного элемента 3, к поверхности его установки посредством блока управления 9 в соответствии с сигналами с датчиков температуры 10 будет происходить поэтапное отключение пар электромагнитов 8 от питания, и соответственно, исключение соответствующих мембран 5 из процесса теплообмена в металлическом контейнере 1 с рабочим веществом 2.
Библиографический список:
1. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов А.В. Прогнозирование теплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Схемотехника, 2004. - №2.
2. Патент РФ № 2236100 Устройство для охлаждения термостабилизации элементов РЭА, работающих при циклических тепловых воздействиях / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. //Б.И. № 25, 2004.
3. Патент РФ №2214701 Охладитель радиоэлектронной аппаратуры /Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Абдурахманова М.М. //2003.
