Способы обеспечения тепловых режимов

А.В. Муратов Н.В. Ципина. Способы обеспечения тепловых режимов РЭС

Результаты испытаний (табл. 4.4) показали, что наименьшие потери достигаются при минимальных размерах входного отсека, т.е. когда он фактически является продолжением воздуховода с боковым выходным отверстием. В этом случае подача, по сравнению с соосным потоком (рис. 4.5,

табл. 4.4), меньше в 2,8 раза, а t A max выше на 70 о С или в 1,7 раза.

Преимущество системы с боковым потоком в упрощении монтажа вентустановки. Ее можно разместить с любой стороны от лампы и сохранить небольшую высоту корпуса РЭУ. Недостаток – худший теплоотвод из-за значительной потери подачи вентилятора (80 …85%) при повороте воздушного потока.

Указанная система используется в фирменных УМ. Она работоспособна при применении малогабаритных ламп (ГУ74Б, ГУ-91Б), которым требуется небольшой расход воздуха.

4.3 Уменьшение шума при работе системы охлаж-

Работу системы охлаждения сопровождают два основных источника звука – электродвигатель и лопасти вентилятора. Движущийся в воздуховоде поток создает незначительный шум.

Главным источником звука в электродвигателе являются подшипники. Поэтому следует применять специальные малошумные подшипники скольжения из пористой бронзы. В коллекторных двигателях шум происходит при трении щеток в коллектор.

Особо следует обратить внимание на способ крепления электродвигателя центробежного вентилятора. Звук электродвигателя присоединенного к корпусу вентилятора, усиливается за счет звукового резонанса. Поэтому его следует крепить корпусу РЭС. Для массивного шасси электродвигателя не является сильным вибровозбудителем, а резонансная частота

корпуса за счет его габаритов и веса находится много ниже возмущающей частоты. Для уменьшения вибрации двигателя на него следует подавать пониженное напряжение. Эти меры плюс виброизоляция позволили полностью избавиться от звуковых резонансов электродвигателя.

Сильный звук создается при вращении крыльчатки. Поэтому следующая задача – уменьшить скорость встречи лопастей с воздухом. Эта проблема успешно решается за счет применения центробежного вентилятора. Звук работы осевого вентилятора, установленного на выходе из системы охлаждения, беспрепятственно распространяется в окружающем пространстве. В центробежном вентиляторе зона работы крыльчатки, где происходит образование звуковых волн, отделена от оператора двойным акустическим экраном. Первый – это корпус вентилятора («улитка»), второй — стенки корпуса РЭС. Кроме того в центробежном вентиляторе воздух разгоняется при многократном воздействии на него лопастей рабочего колеса. Каждая лопасть постепенно усиливает движение потока, поэтому скорость ее соударения с воздухом и шум меньше, чем в осевом вентиляторе. С уменьшением скорости соударения частота звука понижается и смещается в область минимальной чувствительности нашего уха.

При использовании осевого вентилятора шум уменьшается оптимизацией системы обдува. Применение вытяжной системы охлаждения с оптимальными параметрами, по сравнению с приточной, позволит уменьшить подачу вентилятора и скорость лопастей в 2,5…3 раза. Некоторое ослабление шума можно получить при размещении вентилятора на задней панели РЭС. В этом случае для оператора корпус РЭС является акустическим экраном.

Следующий способ – применить осевой вентилятор возможно большего диаметра, но уменьшить скорость вращения крыльчатки. (При этом скорость прохождения воздуха остается неизменная).

1. Для охлаждения лампы наиболее эффективно применение одного вентилятора с достаточной подачей. Использование двухвентиляторной системы неоправданно.

2. Вследствие особенностей в организации воздушного потока осевой вентилятор создает прямоточный поток и более эффективно работает в вытяжной системе охлаждения, а центробежный вентилятор – в приточной системе охлаждения.

3. По результатам испытаний систем охлаждения определены две наиболее эффективные конструкции.

По совокупности всех параметров лучшей является приточная система охлаждения с соосным потоком от центробежного вентилятора. Здесь обеспечиваются максимальная эффективность вентустановки, минимальный шум, а также надежная работа вентилятора, так как он подает холодный воздух. Недостатки – сложность монтажа во входном отсеке, малая распространенность необходимых вентиляторов и электродвигателей на рынке комплектующих и высокая их стоимость.

Вторым вариантом является вытяжная система охлаждения с осевым вентилятором. Ее недостатки – повышенный уровень шума и нагрев вентилятора. А преимущество – минимальные габариты и многократное упрощение монтажа. Кроме того, осевые вентиляторы значительно дешевле, чем центробежная установка, на рынке комплектующих можно легко найти необходимые типоразмеры.

Оправданы обе системы охлаждения. Окончательный выбор будет зависеть от наличия комплектующих, компоновки РЭС и мнения автора конструкции.

1. Автоматизированное теплофизическое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. Пособие / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров; Воронеж. гос. техн. ун-т. Воронеж,

2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир.

и произв. радиоаппаратуры».-М.: Высш. шк., 1984.-247с.

3.Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е.Обеспечение теловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. М. Сов.радио,1976.-232с.

4. Термоэлектрические охладители. Под ред. А.Л. Вайнера. — М.: Радио и связь, 1993.

5. В.П. Дьяконов, А. А. Максимчук, A.M. Ремнев, В.Ю. Смердов. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. — М.: СОЛОН-Р, 2002.

6. Уразаев В.Г. О проблеме влагостойкости печатного монтажа — Компоненты и технологии, 2002, №4

7. Уразаев В.Г. Влагозащита печатного монтажа: обзор методов — Электроника: наука, технология, бизнес, 2003, №1

8. Костин А.С., Крутько А.Т., Нефедов Т.В. Применение покрытий на основе парилена для влагозащиты и герметизации изделий РЭА — Приложение «Технологии, оборудование, материалы» к журналу «Экономика и производство», 1999, №5

9. Ширшова В. Технология влагозащиты и электроизоляции изделий РЭА полипараксилиленом — Компоненты и технологии, 2000, №10

10. В. Кляровский «Системы воздушного охлаждения генераторных ламп. Журнал «Радио» 2003г. №11, 12.

1 СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РЭС……………………………………….. 4

1.1 Классификация СОТР…………………………. 5

1.2 Системы охлаждения РЭС……………………. 6

1.2.1 Воздушные системы охлаждения………. 7

1.2.2 Жидкостные системы охлаждения……. 8

1.2.3 Испарительные системы охлаждения….. 9

1.2.4 Кондуктивные системы охлаждения….. 11

1.3 Основные элементы систем охлаждения……. 12

1.3.1 Теплоносители………………………….. 12

1.3.2 Теплообменники…………………. …… 14

1.3.3 Нагнетатели систем охлаждения………. 29 2 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА РЭС…… 36

2.1 Особенности теплообмена оребрѐнных поверхностей………………………..…………….. 36

2.2 Тепловые модели радиаторов, используемые при моделировании……………………………. 39

2.3 Математическая модель тепловых процессов радиатора………………………………………….. 48

3 СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ РЭС…………………………………………………….. 51

3.1 Термоэлектрические охлаждающие устройства…………………………………………. 51

3.2 Вихревые трубы……………………………….. 63

3.3 Охлаждение с помощью фазовых переходов…. 68

3.4 Тепловые трубы (ТТ)…………………………. 69 3.4.1 Принцип действия и основные характери-

3.4.2 Примеры применения тепловых труб

3.5 Турбохолодильник……………………………. 75

3.6 Использование полипараксилиленового покрытия в качестве метода влагозащиты РЭС… 77

4 ВЫБОР ОЦЕНОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ…………………………. 83

4.1 Системы охлаждения с осевым вентилятором 84

4.2 Системы охлаждения с центробежным вентилятором……………………………………… 88

4.3 Уменьшение шума при работе системы охлаждения………………………………………… 91

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………….. 94

А.В. Муратов Н.В. Ципина

СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РЭC

В авторской редакции Выпускающий редактор И.В. Медведева

Подписано в печать 25.12.2007.

Формат 60Х84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 6. Уч.-изд. л. 5,8. Тираж 250 экз.

ГОУВПО “ Воронежский государственный технический университет‖

Источник

А.В. Муратов Н.В. Ципина. Способы обеспечения тепловых режимов РЭС

Улучшить теплообмен можно, применив искусственный продув воздуха вентилятором. При этом сильно возрастают коэффициенты теплоотдачи, понижается средняя температура потока (из-за сброса тепла на большее количество воздуха), и ребра можно располагать с очень небольшими зазорами между ними, что позволяет разместить большую поверхность теплоотдачи. Оребрение получается более легким и компактным, но оно более сложно в изготовлении, может засоряться при длительной эксплуатации, требует дорогих узлов — электродвигателя и вентилятора, при работе возникает шум, двигатель потребляет электроэнергию. Наличие движущихся частей вызывает необходимость в специальном уходе за установкой.

Если тепло передается излучением, то для увеличения теплопередачи на излучающие поверхности желательно наносить покрытия с большой степенью черноты.

Для локального охлаждения и стабилизации температуры малогабаритных элементов радиоэлектронной аппаратуры отечественной промышленностью разработан и выпускается унифицированный ряд полупроводниковых термоэлектрических модулей типа ТМ. Параметры некоторых из них приведены в табл. 1-4. Эти модули характеризуются следующей системой параметров:

Iмакc, А — ток модуля, при котором достигается максимальный перепад температур ΔTмакс в отсутствии тепловой нагрузки;

Uмакс, В — напряжение на модуле, при котором достигается ΔTмакс

Qмакс, Вт — холодопроизводительность модуля при максимальном токе и ΔTмакс = 0;

ΔTмакс, К — максимальный перепад температур при Iмакс и отсутствии тепловой нагрузки.

На рис. 3.6 представлены типы маркировок термоэлектрических модулей типа ТМ.

Рис. 3.6 Типы маркировок термоэлектрических модулей типа ТМ

В некоторых модулях после максимального значения тока в маркировке указываются конструктивные особенности исполнения:

М — с повышенной виброустойчивостью;

С — с антикоррозийным покрытием;

S — с дополнительной защитой от влаги.

Важным узлом электронных устройств охлаждения является источник электропитания ПТМ. Относительно большие постоянные токи и малые рабочие напряжения ПТМ создают определенные проблемы при проектировании для них высокоэкономичных источников электропитания.

При работе ПТМ в нем возникает противо-ЭДС, поэтому источник питания должен обладать характеристиками

источника тока. Для изменения температурного режима этот ток должен быть регулируемым. При необходимости стабилизации температурного режима такой источник должен легко включаться в систему автоматического регулирования.

Этим требованиям удовлетворяет схема, выполненная на базе регулятора параллельного типа и испытанная в одном из устройств охлаждения [5].

Такой источник позволяет обеспечить оптимальный режим работы силового ключа, выполненного на полевом транзисторе, некритичность к режиму короткого замыкания нагрузки, содержит минимальное количество элементов и обеспечивает гальваническую развязку между питающей и выходной цепями. Так как количество тепла, отводимого ПТМ, зависит от величины пропускаемого через него тока, то регулируя ток источника питания с помощью переменного резистора, можно изменять температурный режим охлаждаемой поверхности.

При необходимости использования принудительного обдува горячей грани воздухом с помощью малогабаритного вентилятора, его питание может осуществляться непосредственно от этого же источника тока.

3.2 Вихревые трубы

Вихревая труба (Рис 3.7) обычно имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена диафрагма 2. Рядом с ней тангенциально размещен патрубок — сопло 3. В противоположном (горячем) конце трубы расположен дроссельный вентиль 4.

Рис. 3.7 Устройство тепловой трубы.

Вихревой эффект несмотря на довольно продолжительный срок исследований до сих пор не имеет единого, признанного всеми, научного объяснения. Нижеприведенная гипотеза базируется на передаче кинетической энергии в потоке завихренного воздуха.

В сопло 3 подается сжатый воздух. Попадая по касательной в трубу 1 завихряется и приобретает кинетическую энергию. Воздух двигается в вихревом потоке с различной угловой скоростью. У оси трубы скорость вращения больше, чем на периферии. Поэтому внутренние слои воздуха, отдавая кинетическую энергию внешним слоям, охлаждаются до температуры t х и выходят через диафрагму 2. Нагретый до температуры t г воздух выходит через свободный конец трубы. Расход и температура воздуха регулируются дроссельным вентилем 4. Температура охлажденного воздуха зависит от его начальных параметров — давления и температуры, а также от конструкции устройства. При давлении P = 0,4.1 МПа и температуре t н = 20оС воздух может быть охлажден до конечной температуры t х = -80.0оС.

Рассмотрим схему вихревой трубы, представленную на рис. 3.7. Сжатый газ поступает в цилиндрическую трубу 2 через отверстие 5, расположенное по касательной к ее внутренней

окружности. Труба с одной стороны ограничена диафрагмой 3 с небольшим отверстием в центре 4, с другой стороны — вентилем 1. Благодаря тангенциальному расположению отверстия струе газа, охладившейся при расширении, сообщается вихревое движение. Поле угловых скоростей w вихря в сечении б-б (проходящем через плоскость входного сечения) является неравномерным: наибольшими угловыми скоростями обладают слои, расположенные по оси трубы, и по мере удаления от центра угловая скорость вихря падает. В этой неравномерности распределения угловых скоростей и кроется возможность температурного распределения слоев газа в вихревом холодильнике. При вращательно-поступательном движении вдоль трубы центральные слои, вращающиеся с большими скоростями, испытывают сопротивление со стороны слоев, вращающихся с меньшими скоростями. Наличие трения между слоями газа приводит к тому, что в некотором сечении а-а распределение угловых скоростей становится близким к равномерному. Это означает, что центральные слои отдали часть своей энергии на производство механической энергии против сил трения и благодаря этому сохранили ту пониженную температуру, которую они получили при расширении на входе в трубу. Для массы газа т, вращающегося со скоростью w на расстоянии r от центра, переданная внешним слоям кинетическая энергия

Е mr 2 2 w 1 2 w 2 2 ,

где w 1 , w 2 — угловые скорости потока в сечениях а-а, б-б на расстоянии r от оси.

Охладившийся центральный поток газа выходит из вихревой трубки через отверстие в диафрагме, более нагретые внешние слои отводятся наружу через вентиль 1. Движение потоков может осуществляться как в одном, так и в противоположном направлениях.

Эффекты охлаждения и подогрева воздуха определяются разностями температур:

Т х Т вх Т г , Т г Т г Т вх ,

где Г вх , Т г , Г х — температуры газа на входе, горячего и холодного потоков на выходе.

Отношение массового расхода холодного воздуха G x к общему расходу G воздуха называется относительным расходом -воздуха jA=G x /G и является важным параметром ВТ. Для теплоизолированной ВТ известна зависимость [ 6 1

из которой следует, что чем больше доля \i холодного воздуха, тем меньше А’Г Х при данной ДГ Г , и наоборот. Характеристика вихревой трубы строится обычно в виде ДГ х =/(ц) и приведена для теплоизолированной трубы на рис. 2.20. Из рисунка видно, что при

р, = 0,25 достигается наибольший эффект охлаждения, при дальнейшем увеличении у, этот эффект падает и при fi=l исчезает. Подогрев горячего газа, возрастая с ростом ji, достигает максимального значения при ц,, близком к 1 (на рис. 2.20 [2]. не показано), а затем резко падает до нуля.

Получение холода в вихревом холодильнике требует больших энергетических затрат по сравнению с обычными методами. Например, для получения температуры —40° С вихревой холодильник даже при небольших холодопроизводительностях (около 100 Вт) требует в 10 раз большего расхода энергии, чем компрессионные холодильные машины. Энергетические показатели можно значительно улучшить, если вторично использовать энергию выходных потоков (их температуру и давление), так как температура отработанного холодного потока остается ниже температуры сжатого воздуха на входе в ВТ. Для этого используется теплообменник в сочетании с ВТ и

объектом охлаждения. Отличительной особенностью ВТ является простота конструкции и надежность работы, что позволяет, несмотря на невысокий к.п. д. (характеризует степень приближения к идеальной тепловой машине и составляет 0,23), конкурировать в ряде случаев с другими способами охлаждения. Известно применение ВТ для создания холодильных камер, термостатов (с объемом камеры до 1 м 3 ), для кондиционирования, и для охлаждения мощных полупроводниковых приборов.

Обычно ВТ как охлаждающее устройство используют при температурах выше —100° С, причем наиболее целесообразно использовать их для локального охлаждения. Приведем несколько цифр,, количественно характеризующих ВТ. Коэффициент теплоотдачи между вихрем и стенкой трубы 1200 Вт/(м 2 • К), между вихрем и помещенным в него (в приосевую область) телом около 600 Вт/(м 2 -К). Вихревая труба диаметром I мм и длиной 10 мм нрв расходе воздуха 0,25 л/с позволяет отвести тепловой поток до 5 Вт.. Одна из типичных конструкций микрохолодильника имеет следующие параметры: рабочее давление воздуха 10 6 Па; температура сжатого воздуха 20° С; температура холодного воздуха —55° С; общий расход воздуха 0,7 л/с; диаметр 18 мм, длина 50 мм; масса 15 г; диаметр патрубка горячего потока 3 мм [ 6 ].

Основные преимущества вихревых установок.

По сравнению с традиционными генераторами холода вихревые трубы обладают рядом преимуществ:

Значительно большая холодопроизводительность по сравнению с дросселированием; возможность охлаждения газов и газовых смесей независимо от знака интегрального дрос- сель-эффекта;

Конструктивная простота, компактность, безопасность и надежность в промышленной эксплуатации по сравнению с более эффективными, но и значительно более сложными

и дорогостоящими генераторами холода (детандеры, пульсационные охладители газа и др.);

Возможность работы на агрессивных и взрывоопасных газах содержащих жидкие и твердые включения;

Автоматическое регулирование в широком диапазоне расхода газа (20-100%) с относительно небольшим изменением температурного режима;

Легкость в обслуживании и поддержании технологического режима;

Низкие капитальные затраты.

3.3 Охлаждение с помощью фазовых переходов

Такие устройства просты по конструкции, надежны, потребляют мало энергии и по некоторым показателям (массе, габаритам, стабильности температуры) могут быть конкурентоспособными и даже превосходить другие технические решения. Обычно используют два режима работы рассматриваемых устройств: хранение криогенной жидкости в теплоизолированном контейнере и отвод теплоты от объекта при испарении хладоагента. В качестве хладоагентов используют в основном обычные для криогенной техники вещества, физические свойства которых приведены в табл. А.13. Из таблицы следует, что выбор оптимального хладоагента зависит от диапазона температур охлаждения и других факторов. Например, для 3—40 К перспективен жидкий неон, который обладает, кроме того, высокой плотнр-

стью. Жидкостные системы чаще используют з устройствах с ограниченным сроком предварительного хранения и малой длительностью рабочего цикла, а системы с твердым хладоагентом применяют в случае ограниченного энергопотребления.

Жидкостные системы охлаждения применяют в виде трех конструктивных схем [1, 6, 18]: совмещенные — объект охлаждения представляет одно целое с сосудом, содержащим хладогент; дистанционные — хладогент передается от сосуда к объекту, по специальному трубопроводу; дистанционные с

испарением хладоагент а, который затем в виде сжатого газа подается на вход дроссельного микроохладителя.

В последние годы разработаны различные конструкции криогенных установок с использованием твердого криогенного вещества. Появление таких устройств вызвано рядом причин: меньшей по сравнению с жидкостными массой (теплота фазового перехода при сублимации имеет более высокое значение, чем при кипении); нет проблемы разделения фаз в условиях невесомости.

Основные элементы криогенной установки с твердым хладоагентом ‘показаны на рис. 2.22 и содержат теплоизолированный ‘контейнер 4 с отвержденным хладоагентом 5, устройство для отвода паров 1 и поддержания в ‘контейнере постоянного давления 6, хладопровод 7 к объекту охлаждения; внешний контейнер 2 теплоизолирован с помощью эффективной изоляции 3. Выбор хладо-агента во многом определяет характеристики и конструкцию установки.

3.4 Тепловые трубы (ТТ)

3.4.1 Принцип действия и основные характеристики

Тепловая трубаустройство, предназначенное для переноса теплового потока с одного конца трубы в другой за счет использования скрытой теплоты фазового превращения теплоносителя, помещенного внутри герметичной ТТ. На рис. 3.8. представлено схематическое изображение ТТ в форме круглого полого цилиндра 1 с большим отношением длины L к диаметру d . Внутренняя поверхность трубы выложена ка- пиллярно-пористой структурой 2, последняя насыщена смачивающей жидкостью и граничит с паровым объемом г — центральной частью трубки радиуса rn . Капиллярно-пористая структура может представлять собой металлическую сетку, спеченные шарики, металловолокна, стеклоткани и даже систему канавок на внутренней поверхности корпуса 1. Смачивающая жидкость является теплоносителем и в зависимости от

уровня температуры в зоне источника а выбираются жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и т. п. При температурах свыше 750 К используются жидкие металлы; для диапазона 550 Фп к испарительной зоне а теплоноситель в этой части капилляр- но-пористой системы начинает испаряться и пары, пройдя транспортную зону б , поступают в противоположный конец трубы в — в конденсационную зону, где отводится теплота. Здесь пар конденсируется и жидкость под действием капиллярных сил снова поступает по фитилю в зону испарения. При конденсации пара выделяется поток Фо , который отводится в теплообменник. Между зонами испарения и конденсации возникают небольшие температурные градиенты, а боковая поверхность цилиндра 1 в транспортной зоне б практически не меняет температуру, поэтому можно считать, что через зону б переносится весь поток Ф , т. е. Ф=Фп=Ф0.

Рис.3.8 Схема тепловой трубы На рис. 3.9 представлена схема гравитационного термо-

сифона, в котором в отличие от тепловых труб возврат конденсата происходит под действием сил гравитации. Необходимым условием работы термосифонов является наличие гра-

Источник

Читайте также:  Спишите укажите тип словосочетаний по способу связи пробежав по полю посмотрел вслед уходящему
Оцените статью
Разные способы