Отвод теплоты от элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в циклических режимах

Приборостроение

ОТВОД ТЕПЛОТЫ ОТ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ, РАБОТАЮЩИХ В ЦИКЛИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Т.А.Исмаилов, О.В.Евдулов, М.М. Махмудова Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

Характерной чертой современных технических средств различного назначения является использование в их составе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). При тенденции к усложнению РЭА, увеличению числа входящих в нее базовых элементов при постоянном стремлении максимального снижения массогабаритных показателей аппаратуры, и с учетом того, что значительная доля энергии питания превращается в тепловую энергию с соответствующим перегревом элементов и аппаратуры, вопрос обеспечения теплового режима РЭА становится особенно актуальным.

Для обеспечения заданного температурного режима РЭА применяются различные системы охлаждения: воздушные, жидкостные, кондуктивные, испарительные и др. При эксплуатации циклически работающей аппаратуры перспективным является применение обратимых эндотермических процессов плавления, сопровождающихся поглощением тепла на границе раздела твердой и жидкой фаз. Эти процессы обладают многократной обратимостью фазовых превращений вне зависимости от действия силовых полей и незначительным изменением объема при их превращениях. Практическое постоянство объема рабочих веществ (теплоаккумуляторов) при изменении их фазового состояния и надежная обратимость процесса делают систему охлаждения с плавящемся веществом практически независимой от срока эксплуатации и количества «пиковых» включений аппаратуры. В качестве рабочих веществ могут быть использованы, например, парафин, элаидиновая, пальмитиновая, лауриновая, стеариновые кислоты, кристаллический азотнокислый никель, нафталин и др.

Типичное устройство для охлаждения аппаратуры такого типа представляет собой тонкостенную металлическую емкость, заполненную рабочим веществом, на которую устанавливаются тепловыделяющие элементы РЭА с хорошим тепловым контактом [1]. Тепло, рассеиваемое аппаратурой, поглощается за счет скрытой теплоты плавления вещества.

Недостатком подобного устройства охлаждения является то, что для обеспечения движения границы раздела фаз от крайнего верхнего до крайнего нижнего слоя вещества требуется постоянное увеличение температуры верхней оболочки относительно температуры плавления до температуры, обусловленной термическим сопротивлением толщины расплавленного рабочего вещества.

Для уменьшения теплового сопротивления используются конструкции, аналогичные устройству, описание которого приведено в [2]. Отличие данного прибора состоит в том, что емкость в нем снабжена металлическими перегородками, установленными параллельно плоскости установки охлаждаемых элементов, и разделяющими ее внутреннюю полость на изолированные отсеки, заполненные плавящимися наполнителями с различными температурами плавления, расположенными в порядке возрастания температур плавления их плавящихся наполнителей в направлении к плоскости установки охлаждаемых радиоэлементов. Уменьшение теплового сопротивления жидкой фазы вещества достигается за счет уменьшения толщины ее слоя.

Особенностью приведенных выше охлаждающих устройств является значительное превалирование длительности перерыва между включениями радиоэлементов над временем работы радиоэлементов в «пиковом» режиме, что является существенным недостатком при необходимости отвода тепла от радиоэлементов с незначительным временем перерыва в работе.

2

3

1

7

Рис.1. Конструкция устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в циклических режимах

1 - тонкостенная металлическая емкость, 2 - металлические перегородки, 3 - радиоэлемент, 4 - плавящиеся наполнители, 5 - термоэлектрическая батарея, 6 - радиатор, 7 - источник электрической энергии

Для снятия ограничений по времени паузы в работе элемента РЭА необходима организация дополнительного отвода теплоты от контейнера с плавящимся веществом. Авторами разработана конструкция охлаждающего устройства, в котором для дополнительного отвода тепла от контейнера с рабочим веществом использована термоэлектрическая батарея [3]. Схематично конструкция устройства приведена на рис. 1.

Устройство работает следующим образом. Тепло, поступающее от радио элемента 3, передается металлической емкости 1 и через поверхность соприкосновения плавящемуся наполнителю 4. Далее одновременно происходит прогрев наполнителя 4 до температуры плавления и процесс плавления. Температура оболочки металлической емкости 1 и, соответственно радиоэлемента 3 не будет существенно возрастать по сравнению с температурой плавления наполнителя 4, находящегося в самом верхнем отсеке, пока существуют обе фазы (твердая и жидкая). После окончания цикла радиоэлемента 3 происходит остывание наполнителя 4 и его затвердевание за счет отвода тепла термоэлектрической батареи 5. Уменьшение времени затвердевания наполнителя 4 в этом случае достигается за счет увеличения интенсивности теплоотвода. Отвод тепла от второго

тепловыделяющего спая термоэлектрической батареи в окружающую среду осуществляется радиатором 6.

Исследование процессов теплообмена в контейнере с рабочими веществами может быть осуществлено путем решения задачи Стефана для каждого изолированного отсека с соответствующим агентом. Отличительной чертой такого типа задач является наличие движущейся поверхности раздела между двумя фазами, закон движения которой приходится определять. На этой поверхности происходит поглощение или выделение тепла. Задачу Стефана формулируют как задачу о сопряжении температурных полей в соприкасающихся фазах при наличии особого граничного условия на движущейся поверхности раздела. Это условие характеризуется равенством температур в соприкасающихся фазах и неравенством тепловых потоков слева справа от границы раздела, связанных с тепловым эффектом фазового превращения. Задача является нелинейной, и точное аналитическое решение ее, за редким исключением, получить не удается.

Для оценочных расчетов рассмотренного охлаждающего устройства может быть использована методика, основанная на определении времени проплавлении рабочих агентов из известных приближенных соотношений.

Рассмотрим емкость, разделенную на п отсеков, заполненных разными рабочими веществами. С приемлемой степенью точности продолжительность времени эффективной работы устройства охлаждения в цикле функционирования радиоэлемента, определяемая временем полного проплавления всех наполнителей может быть оценена из выражения:

*пл = т0 +  + тп ,

где т0 - время прогрева емкости с наполнителями до температуры плавления (кристаллизации) рабочего вещества, находящегося в нижнем отсеке; т2,...,тп -

продолжительности проплавления рабочих веществ, начиная с расположенного в самом нижнем отсеке т1 и заканчивая находящимся в непосредственном тепловом контакте с элементом радиоэлектронной аппаратуры тп.

Продолжительность прогрева емкости с наполнителями до температуры плавления рабочего вещества, находящегося в нижнем отсеке определяется по формуле

ЧРЭА

где ткр 1 - температура плавления (кристаллизации) рабочего вещества, находящегося в нижнем отсеке; тср - температура окружающей среды; т2,...,тп и (сьс2,сп)-

соответственно массы и теплоемкости рабочих веществ, начиная с расположенного в самом нижнем отсеке ть с1 и заканчивая находящимся в непосредственном тепловом контакте с элементом радиоэлектронной аппаратуры тп, сп; дРЭА - рассеиваемая тепловая мощность радиоэлектронным элементом.

Для г-го наполнителя время полного проплавления приближенно может быть определено из соотношения:

тг , ч

= —^,

Чрэа

где г - скрытая теплота плавления /-го наполнителя.

При паузе в работе элемента радиоэлектронной аппаратуры справедливы те же соотношения, что были приведены выше, за исключением того, что в выражении (2) дРЭА необходимо заменить на цТЭБ , где цТЭБ - холодопроизводительность термоэлектрической батареи.

Для более точного решения указанной задачи может быть использован приближенный метод Л.С. Лейбензона, имеющий широкое применение в инженерной практике и неоднократно подтвержденный экспериментально. Метод приближенного решения заключается в том, что функции температуры жидкой и твердой фазы подбираются таким образом, чтобы они удовлетворяли начальным и граничным условиям. Затем известные зависимости подставляются в исходные дифференциальные уравнения в частных производных, которые впоследствии сводятся к системе из обыкновенных дифференциальных уравнений, легко решаемых численным образом практически в любом математическом пакете прикладных программ. Полученные результаты представят собой графические зависимости изменения температуры элемента РЭА, оболочки контейнера с рабочим веществом и координаты границы раздела твердой и жидкой фазы для каждого отсека во времени. По этим зависимостям может быть прослежено влияние уровня теплоотвода термоэлектрической батареи на процесс плавления и затвердевания рабочего вещества. На основе анализа электрофизических параметров термоэлектрической батареи определяется оптимальный режим ее функционирования, соответствующий минимальным габаритным размерам, энергетическим затратам, а также наибольшей надежности термостабилизирующей системы.

Как правило, мощные тепловыделяющие элементы РЭА, термостабилизация которых осуществляется с использованием рассматриваемых методов охлаждения, являются составной частью комплекса аппаратуры, которая в свою очередь располагается в герметичном или негерметичном объеме. При этом тепловой режим устройств и охлаждаемых элементов РЭА в значительной мере определяется влиянием температуры окружающей среды и соседних приборов и блоков в объеме, а также интенсивностью теплообмена сними. Поэтому важной задачей при проектировании охлаждающих и термостабилизирующих систем является учет влияния всех внешних и внутренних факторов. Учет влияния внешних факторов учитывается при введении понятия температурного фона, который выражает суммарную мощность тепловыделений всех элементов РЭА, располагающихся в объеме. При расчете теплообмена в контейнере с рабочим веществом температурный фон учитывается при составлении уравнения теплового баланса для оболочки устройства. Учет влияния формы и геометрических размеров термостабилизирующей системы возможен при проведении комплекса теоретических и экспериментальных исследований, связанных с определением коэффициентов перехода от одномерной задачи теплообмена к многомерной.

Дальнейшие исследования авторов в данном направлении будут посвящены решению изложенных задач.

Библиографический список:

1. Алексеев В.А. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. М.: Энергия, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР №1148063, кл. Н 01 Ь 23/42, 1985.

3. Патент РФ на изобретение № 2214701// Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Махмудова М.М., 2003, 7 Н 05 К/20