Выбор способа охлаждения радиоэлектронной аппаратуры

Методика расчета способа охлаждения распространяется на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), работающей в стационарном тепловом режиме.

Дадим определение термину тепловой режим.

Тепловой режим – совокупность температур всех элементов, из которых собран радиоэлектронный аппарат, т.е. его температурное поле.

Следует отметить, что 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 и выполняется для конкретного элемента в связи с необходимостью обеспечения заданных количественных характеристик его надежности, постоянства температуры во времени, устойчивости работы схемы и т.п. Если первое условие, определяющее понятие «нормальный тепловой режим», применимо только к аппаратуре различного функционального назначения, то второе условие необходимо формулировать для каждого вида аппаратуры, подчеркивая особенности режима её работы.

Обеспечение «нормального теплового режима» является одной из главных задач при конструировании РЭА. Для выполнения этой задачи необходимо принимать соответствующие конструкторские решения:

- выбирают определенные типы элементов в зависимости от условий эксплуатации РЭА;

- уменьшают мощности рассеяния элементов;

- вводят в РЭА специальные нагреватели, разогревающие её при отрицательных температурах среды;

- применяют рациональное размещение элементов, узлов, блоков;

- выбирают формы и размеры отдельных конструктивных составляющих;

- термостатируют узлы и блоки;

- применяют специальные средства охлаждения отдельных элементов и аппаратуры в целом.

Следует отметить, что применяемые конструкторские решения, для обеспечения теплового режима, влияют на изменение габаритных размеров, веса, усложнению конструкции РЭА. В связи с этим, одной из главных конструкторских задач является найти оптимальное решение, компромиссное между необходимостью обеспечить нормальный тепловой режим элементов и недопустимостью увеличения потребления энергии, веса, габаритов и т.д.

Всевозможные конструкции корпусов целесообразно разделить на герметичные, вентилируемые и снабженные специальными теплообменниками. Одним из основных в теории тепловых режимов РЭА является понятие о нагретой зоне.

Нагретая зона – часть объёма аппарата, занятого шасси или платами и смонтированными на них элементами.

Всевозможные нагретые зоны аппаратов можно условно разделить на три группы. К первой группе отнесем такие нагретые зоны, в которых сравнительно крупные элементы (трансформаторы, реле, конденсаторы и т.д.) крепятся на металлическом шасси. Ко второй группе отнесем нагретые зоны, в которых миниатюрные элементы, микросхемы и узлы крепятся к платам (кассетам) из электроизоляционного материала. Следует отметить, что количество плат в таких нагретых зонах может быть достаточно большим. К третьей группе отнесем такие нагретые зоны, в которых отсутствуют ясно выраженные платы или шасси, и элементы расположены в объёме корпуса хаотично.

Далее непосредственно перейдем к описанию способов охлаждения РЭА.

Для того чтобы произвести расчет теплового режима РЭА, нужно определить способ его охлаждения по потребляемой им мощности.

Предварительный выбор способа охлаждения производится на ранней стадии конструирования РЭА с целью проверки соответствия тепловых режимов элементов в выбранной конструкции техническим требованиям на аппаратуру.

Выделяют следующие виды охлаждения: воздушное, жидкостное, испарительное, кондуктивное и комбинированное. Дадим определение каждому виду охлаждения.

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. В данном случае уместно говорить об охлаждении при помощи термоэлектрических охлаждающих устройств. Одним из широко распространённым конструкторским решением является применение радиаторов (ребристых или штыревых).

В комбинированных системах охлаждения аппаратуры применяются различные сочетания перечисленных выше систем.

Системы общего воздушного охлаждения аппаратуры разделяются на естественное воздушное охлаждение, внутреннее перемешивание воздуха в объёме корпуса, естественную и принудительную вентиляцию, а также обдув наружной поверхности корпуса аппарата.

Естественное воздушное охлаждение является наиболее простым и распространенным способом охлаждения аппаратуры. При данном способе охлаждения тепловая энергия конвекцией и излучением передается корпусу аппарата и таким же путем рассеивается в окружающую среду. Этот способ охлаждения характеризуется сравнительно низкой эффективностью.

Естественная вентиляция осуществляется за счет разности плотностей холодного снаружи и нагретого внутри РЭА воздуха при условии, что в его корпусе имеются специальные вентиляционные отверстия. При данном способе охлаждения тепловая энергия конвекцией передаётся протекающему через него воздуху и уносится из аппарата. Часть тепловой энергии рассеивается в окружающую среду внешней поверхностью корпуса.

Принудительная вентиляция подразделяется на приточно-вытяжную, приточную и вытяжную.

Приточная вентиляция осуществляется путем нагнетания в корпус РЭА охлажденного и очищенного воздуха. Для отвода нагретого воздуха из РЭА служат вентиляционные отверстия, жалюзи или грибки на его корпусе. При вытяжной вентиляции вентилятор вытягивает из РЭА нагретый воздух. При приточно-вытяжной вентиляции нагнетание холодного и вытяжка нагретого воздуха осуществляется двумя различными вентиляторами.

Жидкостные и испарительные системы охлаждения разделяются на работающие в условиях естественного охлаждения, термосифонные, с внутренним перемешиванием и с принудительной циркуляцией жидкости. Жидкостные и испарительные системы охлаждения могут быть прямого и косвенного действия, работать по замкнутому и разомкнутому циклам. Теплообмен между радиодеталями и жидкостью происходит в условиях естественной конвекции или кипения. Воспринятая тепловая энергия передаётся стенкам корпуса. При жидкостном охлаждении отвод тепла от нагретой жидкости может быть осуществлен при помощи змеевика, введённого внутрь корпуса и погруженного в жидкость, по которому течет теплоноситель. В этом случае основное количество выделяющегося в РЭА тепла отводится теплоносителем, протекающим через змеевик. Охлаждение корпуса производится при помощи теплообменников, которые при жидкостном охлаждении целесообразно располагать на боковой поверхности корпуса. При испарительном охлаждении большая часть тепла, выделяющаяся в радиодеталях, отводится вместе с паром. В этом случае теплообменники располагаются на крышке корпуса, пар конденсируется на охлаждаемой поверхности, а конденсат стекает вниз.

Далее рассмотрим методику определения способа охлаждения РЭА. Для расчета нам необходимы следующие исходные данные:

- мощность, рассеиваемая блоком или индивидуальным элементом, Q, Вт;

- допустимая температура нагретой зоны tдоп. оС;

- диапазон изменения температуры окружающей среды

tос min – tос max , оС.

Далее мы определяем расчетную поверхность нагретой зоны Sз, м2:

Sз=2[L1*L2+(L1+L2)*L3*Kз],

где L1 и L2 – горизонтальные размеры кожуха блока, м; L3 – высота кожуха блока, м; Kз – коэффициент заполнения. Данная формула актуальна при воздушном охлаждении. Для блока при жидкостном и испарительном охлаждении и для индивидуального элемента при воздушном, жидкостном и испарительном охлаждениях, значение величины рассчитывается по геометрическим размерам охлаждаемой поверхности, находящейся в непосредственном контакте с теплоносителем. Коэффициент заполнения Kз рассчитывается по формуле:

Коэффициент заполнения

где vi – объём i-го элемента РЭА; n – число элементов в РЭА; V – объём, занимаемый РЭА (горизонтальные и вертикальные размеры корпуса РЭА соответственно L1, L2, L3).

Далее определяем величину удельной мощности нагретой зоны q, Вт/м2:

q=Q/Sз.

Далее определяем минимальную величину допустимого перегрева нагретой зоны ∆tдоп., м2

∆tдоп.= tдоп.- tос max.

По известным значениям q и ∆tдоп. осуществляется выбор способа охлаждения, соответственно зоне на рисунке 1 (на рисунке показана расчетная точка для Q=40 Вт/м2 и ∆t=40оС), в которой находится точка с координатами q и ∆tдоп.

График для выбора способа охлаждения РЭА

где: 1 — свободное воздушное охлаждение; 2 — свободное и принудительное воздушное охлаждение; 3 — принудительное воздушное охлаждение; 4 — принудительное воздушно и жидкостное охлаждение; 5 — принудительное испарительное охлаждение; 6 — принудительное жидкостное и свободное охлаждение; 7 — принудительное жидкостное, принудительное и свободное охлаждение; 8 — свободное принудительное и свободное испарительное; 9 — свободное и принудительное испарительное

Рисунок 1- Выбор способа охлаждения