Защита аппаратуры от влияния ВВФ. Тепловая защита

Большинство радиотехнических устройств, потребляя от источников питания мощность, измеряемую десятками, а иногда и сотнями ватт, отдают полезной нагрузке от десятых долей до единиц ватта. Остальная электрическая энергия, превращаясь в тепловую, выделяется внутри аппарата. Температура нагрева аппарата оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в окружающее пространство. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур аппарата и окружающей среды.

При некотором значении температуры поверхности оказываются равными количество теплоты, отдаваемой в окружающее пространство, и количество теплоты, выделяемое внутри аппарата; наступает состояние теплового равновесия – температура нагрева в каждой точке аппарата стабилизируется. Установившееся значение температуры определяется количеством теплоты, выделяемой внутри аппарата, и интенсивностью процесса отдачи теплоты в окружающее пространство, а также температурой окружающей среды.

Надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры сильно зависит от температуры окружающей среды. Для каждого типа элемента в технических условиях указывается предельная температура, при превышении которой элемент нельзя эксплуатировать. Поэтому одна из важнейших задач конструктора радиоэлектронной аппаратуры состоит в том, чтобы обеспечить правильные тепловые режимы для каждого элемента.

Передача теплоты от нагретого тела в окружающее пространство может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции, радиации (лучеиспускания) и изменения агрегатного состояния вещества.

Конвекция – это перенос теплоты перемещающимися частицами среды, в которой находится аппаратура (например, воздуха).

а – естественная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; б – естественная циркуляция воздуха через кожух с перфорацией; в – принудительная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; г – принудительная циркуляция воздуха через кожух с перфорациями; д – жидкостное охлаждение

1 – кожух, 2 – платы (шасси) с ЭРЭ; 3 – отверстия; 4– двигатель; 5 – вентилятор; 6 – ввод от вентилятора; 7 – отражатели, распределяющие воздушный поток равномерно по поперечному сечению кожуха;
8 – жидкость

Рисунок 13.4 – Способы охлаждения аппаратуры

Схема тепловых потоков воздуха при естественной воздушной конвекции для аппарата с кожухом, имеющим уплотнение, показана на рисунке 13.4, а. В этом случае передача теплоты от любого элемента происходит следующими путями:

1. Нагретый воздух поднимается вверх, омывает стенки кожуха, охлаждается о них и опускается вниз. Охлажденный воздух снизу поступает в пространство, содержащее элементы, выделяющие теплоту (естественная конвекция);

2. По элементам конструкции часть теплого потока от каждого элемента достигает кожуха (теплопроводность);

3. Часть теплового потока от нагретого тела передается кожуху за счет радиации.

Вся тепловая энергия, полученная кожухом, передается им в окружающее пространство также за счет конвекции, радиации и теплопроводности. В радиоэлектронной аппаратуре с естественной конвекцией воздуха часто не удается получить требуемых температурных условий для радиоэлементов. Тогда приходится прибегать к специальным мерам по снижению температуры.

На рисунке 13.4, б показана схема аппарата охлаждаемого за счет естественной вентиляции. Характерной особенностью такого аппарата является наличие в кожухе отверстий или жалюзи, через которые воздух из окружающего пространства может попадать в аппарат. В этом случае нагретый воздух, поднимаясь вверх, выходит из аппарата через отверстия в верхней крышке, а на его место снизу поступает воздух из окружающего пространства, имеющий более низкую температуру: окружающий воздух пронизывает аппарат снизу вверх. Такая схема теплоотдачи значительно эффективнее, чем показанная на рисунке 13.4, а.

Однако не во всех случаях можно делать отверстия в кожухе аппарата. Часто из-за ряда причин конструктор вынужден применять кожухи с уплотнением.

Если зазоры между отдельными элементами конструкции (например, между печатными платами) малы, то скорость воздушного потока при естественной конвекции оказывается также очень малой, что резко уменьшает количество теплоты, отдаваемой тепловыделяющими элементами кожуху. В результате тепловые режимы элементов могут оказаться в недопустимых пределах. В данном случае применяют вентиляторы (рисунке 13.4, в), осуществляющие перемешивание воздуха внутри кожуха, что интенсифицирует процесс теплопередачи.

Однако следует иметь в виду, что установка вентиляторов в малогабаритной аппаратуре может значительно увеличить ее размеры. Размещать вентилятор нужно так, чтобы выделяемая им тепловая энергия (а она может быть соизмерима с энергией, выделяемой основными элементами аппаратуры), не ухудшала теплового режима аппарата. На рисунке 13.4, г показана схема принудительной вентиляции аппарата, которая обеспечивает наиболее эффективное охлаждение его воздухом: специальный вентилятор прогоняет через аппарат воздух из окружающей среды. Такая схема наиболее целесообразна, если радиоэлектронное устройство будет установлено на объектах, где имеется централизованная система подачи воздуха. В ряде случаев такие централизованные системы подают в аппарат осушенный и обеспыленный воздух.

Во всех рассмотренных примерах теплопередача осуществлялась за счет использования воздуха в качестве теплоносителя, за счет теплопроводности через элементы конструкции и радиации. Однако воздух как теплоноситель имеет очень плохие характеристики. Значительно лучшими тепловыми параметрами обладают жидкости. Поэтому в мощных радиоэлектронных устройствах иногда применяют жидкостные системы охлаждения.

На рисунке 13.4, д показан аппарат, внутренний объем которого заполнен жидкостью. Так как жидкость обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем газ, то передача теплоты от тепловыделяющих элементов кожуху происходит более интенсивно. Часть объема аппарата оставляют незаполненным жидкостью в связи с тем, что при нагревании она расширяется. Интенсифицировать жидкостное охлаждение можно принудительным перемешиванием жидкости специальным вентилятором или покачиванием жидкости через специальный теплообменник, где она охлаждается.

К числу жидкостных систем охлаждения относятся и системы с испарением. В этом случае объем аппарата заполняется жидкостью, имеющей низкую температуру кипения. Тепловая энергия, выделяемая элементами аппаратуры, расходуется на парообразование, и температура жидкости поддерживается постоянной, равной температуре кипения. Следует отметить, что жидкостные системы охлаждения значительно усложняют конструкцию аппарата и применяются ограниченно.

В силу того что источники тепловой энергии (микросхемы, транзисторы, реле, двигатели и др.) распределены по объему аппарата неравномерно и передача теплоты в различных направлениях также происходит с различной интенсивностью, точное определение температуры в каждой конкретной точке аппарата представляет собой сложную задачу, которую на практике решают приближенными методами.

Одним из таких приближенных методов, позволяющим сравнительно просто дать оценку значению температуры внутри аппарата при удовлетворительных погрешностях, является метод нагретой зоны. Сущность его заключается в том, что часть объема аппарата, в котором расположены тепловыделяющие элементы, заменяется одним или несколькими условными телами, имеющими простую геометрическую форму (параллелепипед, цилиндр, шар). Каждое из этих условных тел называют нагретой зоной. Нагретую зону представляют как однородное тело с равномерно распределенными источниками энергии, имеющее одинаковую температуру поверхности (изотермическая поверхность). Точно так же изотермической условно считают и поверхность кожуха, в который заключена нагретая зона.

Рассмотрим, от каких физических факторов зависит количество теплоты, передаваемой в результате процесса теплопроводности, радиацией и конвекцией.

Теплопроводность – способность тела передавать теплоту от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой температурой. Мощность, отдаваемая за счет теплопроводности однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение:

, (13.17)

где – коэффициент теплопроводности, зависящий от физических свойств материала, Вт/(м·град); – площадь поперечного сечения тела, м²; – его длина, м; – разность температур между концами теплопроводящего тела, град.

Значения для некоторых материалов приведены в таблице 13.5.

Таблица 13.5 – Значения коэффициента теплопроводности

Наименование материала	, Вт/(м·град)	Наименование материала	, Вт/(м·град)
Медь		Пластмасса полихлорвиниловая	0,44
Алюминий		Картон	0,23
Сталь		Пенопласт	0,05
Слюда	0,58	Воздух	0,025

Входящий в формулу сомножитель называют тепловой проводимостью, а обратную величину – тепловым сопротивлением:

. (13.18)

Теперь формула (13.17) может быть записана так:

. (13.19)

Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для цепи с электрическим током. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяемыми в электротехнике формулами для параллельного и последовательного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру. Несколько примеров показаны на рисунке 13.5.

а – последовательное включение теплопроводников; б – параллельное включение; в – комбинированное включение

Рисунок 13.5 – Эквивалентные схемы теплопроводящего тела с неоднородной структурой

Как видно из рисунка, между поверхностями А и Б, имеющими температуры и (), расположены несколько теплопроводящих тел, обладающих тепловыми сопротивлениями,,.

Общее тепловое сопротивление может быть вычислено: для случая а – по формуле; для случая б – по формуле; для случая в – по формуле.

Чаще всего в процессе передачи теплоты от кожуха аппарата к окружающей среде роль теплопередачи незначительна. Это связано с тем, что площадь теплового контакта s между кожухом и основанием, на котором он закреплен, всегда во много раз меньше площади кожуха.

Однако в процессе отвода теплоты от отдельных элементов, рассеивающих большую мощность, к расположенным рядом элементам конструкции роль теплопроводности может быть решающей.

Конвекция. Мощность (Вт), отдаваемая нагретой поверхностью за счет естественной конвекции, может быть определена по формуле:

, (13.20)

где – коэффициент теплообмена между поверхностью и окружающей средой, Вт/(м²·град); – температура поверхности, град; – температура окружающей среды, град; – площадь нагретой поверхности, м².

В этой формуле, так же как в (3.17), сомножитель можно обозначить тепловым сопротивлением:

Значение зависит от большого количества факторов.

В зависимости от характера движения теплоносителя различают четыре режима теплообмена:

1. Пленочный режим. У поверхности образуется почти неподвижная пленка нагретого теплоносителя. Теплообмен происходит за счет теплопроводности и радиации. Такой режим теплообмена имеет место при небольших температурных перепадах для тел с плавными очертаниями.

2. Закон степени 1/8.

, (13.21)

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м²·град); – коэффициент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения; – температура стержня, град; – температура окружающей среды, град; – диаметр стержня, м.

Такой режим имеет место при охлаждении тонких длинных стержней. Режим движения теплоносителя – ламинарный. Интенсивность теплообмена – незначительная.

3. Закон степени 1/4.

, (13.22)

где – коэффициент, зависящий от физических свойств теплоносителя, его температуры и характера его движения; – определяющий размер тела (высота цилиндра или минимальный размер вертикальной стенки). Остальные обозначения те же, что и в формуле (13.21).

При этом законе около охлаждаемых поверхностей происходит интенсивное ламинарное и локонообразное движение теплоносителя. Интенсивность теплообмена выше, чем при законе степени 1/8.

4. Закон степени 1/3.

, (13.23)

где – коэффициент, зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения. Остальные обозначения те же, что и в формуле (13.21).

При законе степени 1/3 характер движения теплоносителя – вихревой, теплообмен наиболее интенсивный.

Для плоских и цилиндрических поверхностей характер теплообмена определяется неравенством:

. (13.24)

Если неравенство выполняется, то движение теплоносителя подчиняется закону степени 1/4 [формула (13.22)], если не выполняется, то закону степени 1/3 [формула (13.23)].

Значения коэффициентов и приведены в таблице 3.6.

Таблица 13.6 – Значения коэффициентов и для воздуха

	1,38	1,34	1,31	1,29
	1,61	1,53	1,45	1,39

В таблице 3.6.

Если плоская поверхность расположена горизонтально и отдает теплоту вверх, то полученное значение следует умножить на 1,3, если поверхность отдает теплоту вниз, то умножить на 0,7.

Влияние давления может быть учтено умножением полученного значения на коэффициент:

, (13.25)

где – давление газа, охлаждающего поверхность, Па; – нормальное давление (10⁵Па); – показатель степени в формулах (3.22) и (3.23) (1/4 или 1/3).

Радиация. Всякое нагретое тело отдает часть выделяемой в нем теплоты в виде лучистой энергии. Если оно окружено другими телами, которые не являются абсолютно черными, то часть получаемой ими тепловой энергии отражается. В зависимости от конфигурации и размеров тел какая-то часть отраженной энергии попадает обратно на теплоизлучающее тело. Такой процесс может повторяться многократно.

Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определена по следующей формуле:

, (13.26)

где – излучаемая мощность, Вт; – коэффициент излучения абсолютно черного тела:; – температура нагретого тела, К; – температура окружающих тел, К; – приведенная степень черноты; – поверхность тела, м².

Коэффициент зависит от относительной степени черноты ε теплоизлучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров.

Значения относительной степени черноты ε различных тел в зависимости от характера обработки поверхности приведены в таблице 13.7.

Таблица 13.7 – Значения относительной степени черноты ε для некоторых поверхностей

Поверхность	ε	Поверхность	ε
Полированный алюминий	0,05	Масляная краска (любого цвета)	0,89–0,93
Алюминиевая краска	0,25–0,67	Эмаль холодной сушки (любого цвета)	0,92–0,96
Анодированный алюминий	0,7–0,9

Как видно из таблицы, для большинства применяемых покрытий значение ε составляет 0,7–0,96. На практике часто встречаются случаи, когда лучистый теплообмен идет между двумя плоскопараллельными пластинами или когда нагретое выпуклое тело с площадью поверхности заключено в оболочку с поверхностью, причем.

Для такой конфигурации тел и указанных значений приведенную степень черноты можно определить по формуле:

, (13.27)

где – относительная степень черноты нагретого и окружающих тел.

Составив уравнение теплового баланса

, (13.28)

где – мощность, выделяемая в нагретом теле, Вт; определены формулами (13.17), (13.20), (13.26), можно определить установившееся значение температуры нагрева тела.

Решить полученное уравнение относительно (или) в явном виде не удается, поэтому его приходится решать методом последовательных приближений.

Коэффициентный метод расчета тепловых режимов. Чтобы воспользоваться формулой (13.28), необходимо знать численные значения коэффициентов теплообмена, которые часто бывают неизвестны для сложных по конфигурации конструкций, встречающихся в радиоэлектронной аппаратуре. Поэтому в практике конструирования для расчетов тепловых режимов часто используют приближенные коэффициентные методы расчета, позволяющие быстро и с приемлемой погрешностью (порядка 25 … 30 %) определить среднеповерхностный перегрев нагретой зоны аппарата.

Сущность этого метода состоит в том, что искомую температуру перегрева представляют в виде произведения вида:

, (13.29)

где – искомая среднеповерхностная температура перегрева нагретой зоны; – базовый перегрев, определяемый мощностью, приходящейся на единицу поверхности нагретой зоны, °С; – коэффициенты, учитывающие различные факторы, влияющие на условия теплообмена, причем каждый коэффициент зависит только от одного параметра.

Для различных, часто встречающихся на практике случаев заранее рассчитаны графики, по которым можно определить все входящие в формулу (13.29) сомножители. Некоторые из этих графиков приведены на рисунке 13.6.

Определение размеров и параметров нагретой зоны. Для упрощенной тепловой модели, когда вычисляется среднеповерхностная температура нагретой зоны, определить ее эквивалентные размеры можно по следующим формулам.

Объем аппарата (м³):

, (13.30)

где – размеры нижней стенки корпуса аппарата, м; h – высота корпуса, м.

Объем деталей равен сумме объема шасси и объемов всех деталей, установленных на нем. Для аппарата кассетной конструкции объем деталей равен сумме объемов всех плат и всех деталей, установленных на них.

Рисунок 13.6 – Графики для расчета средней температуры корпуса и нагретой

зоны коэффициентным методом: н.з.в. – нагретая зона с вертикальной ориентацией; н.з.г. – нагретая зона с горизонтальной ориентацией

Коэффициент заполнения объема аппарата:

. (13.31)

Рисунок 13.7 – Изделие и его нагретая зона

Приведенный размер основания нагретой зоны:

, (13.32)

где – размеры, м.

Приведенная высота нагретой зоны:

. (13.33)

Приведенная высота воздушного зазора (м) (см. рисунок 3.7) между нагретой зоной и кожухом:

. (13.34)

Геометрический фактор:

. (13.35)

Поверхность корпуса аппарата:

, (13.36)

где все размеры (в м) показаны на рисунке 13.7, а.

Приведенную поверхность нагретой зоны можно вычислить по формуле

. (13.37)

Удельная поверхностная мощность корпуса и нагретой зоны может быть вычислена по формулам

. (13.38)

где P – мощность, выделяемая в корпусе или нагретой зоне, Вт, S – поверхность, м².

В зависимости от ориентации шасси в кожухе будем различать нагретую зону с горизонтальной и вертикальной ориентациями.

Для аппаратов кассетной конструкции ориентацию нагретой зоны считают вертикальной, если в зазорах между кассетами существует теплоперенос за счет конвективных потоков воздуха. Следует учитывать, что даже при вертикальном расположении зазора конвективный теплоперенос фактически отсутствует, если выполняется хотя бы одно из трех перечисленных далее условий:

а) средний зазор между поверхностью деталей и плоскостью соседней кассеты не превышает 2 … 3 мм;

б) давление внутри аппарата менее 10 мм рт. ст.;

в) аппарат находится в условиях невесомости.

Поэтому при соблюдении перечисленных условий ориентацию нагретой зоны для аппаратов кассетной конструкции следует условно считать горизонтальной.

Для расчета среднеповерхностной температуры кассет в аппаратах с вертикальной ориентацией нагретой зоны необходимо ввести дополнительные геометрические характеристики (исходные данные указаны на рисунке 13.7).

Поверхность нагретой зоны, состоящей из нескольких кассет:

, (13.39)

где, выражены в м; – в м².

Приведенная высота деталей, размещенных на кассете:

. (13.40)

где – сумма объемов всех деталей, расположенных на кассете, м³.

Приведенная толщина кассеты:

, (13.41)

где – толщина печатной платы, на которой закреплены детали, м.

Приведенная толщина зазора между кассетами, м:

, (13.42)

где b – расстояние между печатными платами, м.

Площадь поверхностей кассет, обращенных друг к другу, м²:

, (13.43)

где m – число кассет.

Площадь поверхностей плат, излучающих лучевую энергии в сторону кожуха:

, (13.44)

где m – число кассет.

Дата добавления: 2014-01-11