Конструкции устройств для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.

-I-

УДК 621.362: 537.322

А.П. Адамов, С.Ш. Гаджиев, А.В. Магомедова

КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

A.P.Adamov, S.Sh.Gadgiev, A. V.Magomedova

THERMOELECTRIC SEMI-CONDUCTOR DEVICES FOR COOLING AND THERMOSTABILIZATION OF ELEMENTS RADIOELECTRONIC EQUIPMENT

Авторами настоящей работы предлагаются к рассмотрению ряд конструкций термоэлектрических устройств для отвода тепла и термостабилизации элементов РЭА.

Рассматриваются термоэлектрические устройства для отвода тепла от элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, термостабилизации электронных плат, термостабилизации малогабаритных РЭА большой мощности.

Ключевые слова: охлаждение РЭА, термостабилизация электронных плат,

термоэлектрический модуль.

The authors of this work proposed to review a number of constructions of thermoelectric devices for heat and temperature stabilization of the elements of the REA. Considered thermoelectric device _ for the dissipation of heat _ from the elements of the Rea with the re-short-term heat evolution, temperature stabilization of the electronic circuit boards, thermal stabilization of small-sized Russian great power.

Keywords: cooling REA, the thermal stabilization of electronic boards, thermoelectric module.

Развитие многих радиоэлектронных комплексов в последние десятилетия характеризуется включением в их состав теплонагруженных радиоэлектронных приборов. Постоянно расширяется диапазон изменения температуры среды, окружающей объект размещения прибора, усложняются другие условия эксплуатации объектов, вместе с там растут требования к стабильности характеристик комплексов. Работа многих теплонагруженных приборов должна проходить в условиях значительных внутренних и внешних тепловых воздействий, колебаний температуры окружающей среды, а параметры приборов при этом должны оставаться в заданных пределах.

Продолжительной, устойчивой работы приборов удается добиться, лишь создав им необходимые температурные условия. Как правило, температурные условия работы теплонагруженных приборов обеспечиваются специальными системами охлаждения. Последние весьма разнообразны, сложны, могут иметь значительные габариты, массу, энергопотребление [1].

Среди существующих в настоящее время систем обеспечения необходимого температурного режима теплонагруженных радиоэлектронных приборов все большее развитие приобретает термоэлектрическое охлаждение, позволяющее осуществить охлаждение и термостабилизацию малогабаритных элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) [2]. Основными достоинствами такого типа охлаждения являются возможность миниатюризации, отсутствие хладагентов, способность перехода от режима охлаждения в режим нагрева, возможность регулирования температуры по заданной программе, высокое быстродействие и конструктивная пластичность.

А-

Авторы настоящей работы предлагают к рассмотрению ряд конструкций

термоэлектрических устройств для отвода тепла и термостабилизации элементов РЭА, разработанных ими в лаборатории термоэлектричества Дагестанского государственного технического университета за последнее время.

Устройство для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры с

повторно-кратковременными тепловыделениями

В настоящее время одним из эффективных средств отвода тепла от элементов РЭА, работающих в импульсном режиме, является применение в устройствах для их охлаждения и термостабилизации плавящихся рабочих веществ, обладающих относительно большой теплотой фазовых превращений и надежной многократной обратимостью фазовых превращений. К наиболее распространенному типу таких конструкций относятся конструкции, у которых охлаждаемые элементы РЭА располагаются вне объема с рабочим плавящимся веществом на плоской поверхности разделяющей герметичной оболочки и имеют с ней хороший тепловой контакт [3]. Обычно на термостабилизируемой поверхности устройства устанавливаются мощные транзисторы, диоды, различные типы интегральных микросхем, отдельные электронные устройства и приборы. При этом как наружная, так и внутренняя поверхности герметичной оболочки могут иметь оребрение для интенсификации теплообмена соответственно с рабочим веществом и окружающей средой. При эксплуатации РЭА основная часть рассеиваемого ею тепла поглощается за счет скрытой теплоты плавления рабочего вещества. После окончания работы аппаратуры происходит остывание рабочего вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой.

Важной особенностью охлаждающего устройства такого типа является значительное превалирование длительности перерыва между включениями аппаратуры над временем работы элемента РЭА в «пиковом» режиме, что является существенным недостатком при необходимости отвода тепла от элемента РЭА с незначительным временем перерыва в работе.

Нами разработано устройство, позволяющее использовать систему охлаждения с плавящимися веществами при незначительных промежутках времени в перерывах работы циклически работающей аппаратуры.

Конструкция предлагаемого устройства показана на рис.1. Устройство состоит из тонкостенной металлической емкости 1, заполненной рабочим веществом 2, на которую устанавливаются с обеспечением хорошего теплового контакта

тепловыделяющие элементы РЭА 3. К противоположной стороне металлической емкости припаяна своим холодным

спаем

термоэлектрическая

батарея (ТЭБ) 4, Рис.1. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА с снабженная для съема повторно-кратковременными тепловыделениями тепла с горячего спая воздушным радиатором 5.

Остывание и затвердевание рабочего вещества при таком конструктивном исполнении в «паузе» работы РЭА осуществляется за счет отвода тепла ТЭБ. Уменьшение времени затвердевания рабочего вещества достигается за счет увеличения интенсивности теплоотвода.

Исследования показали, что применение для отвода тепла от рабочего агента ТЭБ с величиной отводимой мощности 5 - 6 Вт позволит сократить время его охлаждения в 3 - 4 раза по сравнению с использованием естественного теплообмена с окружающей средой. При этом величина потребляемой электроэнергии составит менее 15 Вт, а масса охлаждающей системы повысится на 0,2 - 0,25 кг. Учитывая, что в ряде ситуаций снижение времени затвердевания рабочего агента является решающим фактором, необходимость питания ТЭБ электрическим током и некоторое увеличение массы охлаждающего устройства могут оказаться не существенными.

Важной особенностью предложенного устройства является возможность применения его в случаях меняющегося значения длительности «паузы» в работе РЭА. В этом случае изменения скорости затвердевания рабочего вещества можно добиться изменением величины тока, питающего ТЭБ. При этом имеет смысл рассчитывать батарею не на предельную, наиболее «тяжелую» скорость охлаждения, а на какую -то среднюю, при которой среднее потребление мощности по времени работы при различных температурах будет минимальным. Пиковая, наиболее тяжелая нагрузка может компенсироваться увеличением тока и переходом к режиму максимальной холодопроизводительности.

Устройство для отвода тепла и термостабилизации электронных плат

Использование полупроводниковых термоэлектрических преобразователей позволяет применить неравномерное охлаждение, при котором различные элементы и узлы РЭА в зависимости от выделяемого тепла охлаждаются с различной степенью интенсивности [4]. В этом случае уровень теплосъема с отдельных тепловыделяющих участков РЭА определяется в соответствии с выделяемой ими тепловой мощностью. Характерной чертой такого способа охлаждения является его высокая экономичность.

В лаборатории термоэлектричества Дагестанского государственного технического университета разработано устройство, позволяющее реализовать такой способ охлаждения применительно к печатным узлам, электронным платам, микросборкам или любым другим конструкциям, представляющим собой плоскую поверхность с установленными на ней элементами РЭА [5].

Принципиальная схема устройства

приведена на рис.2.

Основной частью устройства является

каскадная ТЭБ,

рассчитанная на

минимальное потребление мощности. Она состоит из базовой ТЭБ 1, составляющей нижний каскад, и дополнительных ТЭБ 2, образующих верхние каскады. Система

неравномерного

Рис.2. Принципиальная схема устройства для охлаждения электронной платы

А-

теплоотвода организуется таким образом, чтобы съем тепла с наиболее тепловыделяющих элементов 3 электронной платы 4 осуществлялся наиболее холодными каскадами ТЭБ, съем тепла с менее тепловыделяющих элементов - менее холодными и т.д. При таком подходе наиболее тепловыделяющие элементы электронной платы помещаются на каскадах ТЭБ с более высоким уровнем охлаждения, элементы и узлы с меньшими тепловыделениями располагаются на каскадах с более низким уровнем охлаждения. Теплопереходы 5 служат для организации теплового контакта теплопоглощающего спая ТЭБ с элементом электронной платы. Радиатор 6 предназначен для отвода тепла от горячего спая каскадной ТЭБ в окружающую среду.

Исследования, проведенные нами, показали, что применение подобной схемы охлаждение позволяет в значительной степени повысить экономичность отвода тепла, а также снизить габаритные размеры охлаждающего устройства. При этом максимальный выигрыш в потреблении электрической энергии может быть получен при использовании последовательной схемы питания каскадов, а максимальное снижение габаритных размеров устройства можно добиться, применяя режим минимальной массы.

Устройство для термостабилизации элементов радиоэлектроники большой мощности

Работа большинства современных приборов и устройств РЭА существенно зависит от систем обеспечения требуемых температурных режимов их работы, которая, как правило, связана с необходимостью отвода значительных теплот от тепловыделяющих элементов. При этом существует целый класс радиоэлектронных элементов, у которых оптимальный режим работы достигается при температурах, превышающих на несколько десятков градусов температуру окружающей среды. С целью повышения эффективности их работы важно термостабилизировать такие элементы при оптимальной рабочей температуре.

В литературе [6] описаны устройства с развитой поверхностью теплообмена, отводящие теплоту от тепловыделяющих элементов РЭА под действием естественной разности температур. В качестве них широко используют радиаторы различных типов. Для интенсификации теплопередачи радиаторы снабжают дополнительными гофрированными вставками, выполняют ребра радиаторов обтекаемыми, со сквозными отверстиями и т. п. Все эти конструктивные признаки применяют с целью создания турбулентности воздушного потока, обтекающего ребра радиатора, для увеличения интенсивности теплопередачи. Однако такие устройства мало эффективны, когда температура эффективной работы элемента РЭА превышает температуру окружающей среды, но сам элемент в процессе эксплуатации разогревается значительно сильнее. Кроме того, радиаторы в этих случаях имеют значительные габариты, что делает устройство громоздким.

Часто практикуются решения, согласно которым к охлаждаемому элементу РЭА непосредственно присоединяется с обеспечением теплового контакта ТЭБ [2, 7]. Несмотря на то, что в этом случае достигается значительное снижение габаритных размеров устройства, возникают сложности, связанные с обеспечением необходимого уровня отвода тепла от элемента РЭА. Так как площадь основания охлаждаемого прибора мала, то это не позволяет присоединить к нему значительное количество термоэлектрических элементов и, соответственно, обеспечить необходимый уровень охлаждения. В этой ситуации часто приходится использовать каскадные ТЭБ с числом каскадов более трех, что в значительной степени сказывается на энергетической эффективности охлаждающего прибора.

В [8] рассматривается устройство, содержащее батарею ТЭМ, термодатчик, расположенный на охлаждаемом элементе, блок автоматического регулирования

температуры, теплообменник и тепловой демпфер, изготовленный из высокотеплопроводного материала. В нем для повышения эффективности и снижения габаритов охлаждающей системы используется тепловой демпфер, выполненный в виде многогранника, на малом основании которого предусмотрена площадка для установки в тепловом контакте охлаждаемого элемента, а к большему основанию которого присоединены «холодные» спаи батареи ТЭМ. Предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность охлаждения и снизить габариты теплоотводящего устройства. Однако использование ее для обеспечения высокоточной термостабилизации тепловыделяющих элементов РЭА не представляется возможным.

Нами разработано устройство, которое наряду с высокой надежностью и малой массой позволяет не только эффективно отводить тепло от тепловыделяющего объекта, но также стабилизировать его температуру на оптимальном уровне с высокой точностью.

Конструкция прибора показана на рис.3. Устройство содержит тепловой демпфер в виде усеченной четырехугольной пирамиды 1, на малом основании 2 которой находится выемка с размещенным в ней кожухом 3, заполненным термостабилизирующи м веществом 4, точка фазового перехода которого совпадает с температурой термостабилизации радиоэлектронного элемента 5.

Радиоэлектронный элемент 5 помещен в камеру 6, находящуюся в тепловом контакте с кожухом 3 и теплоизолированную от окружающей среды. На большом основании 7 демпфера 1 в тепловом

контакте с ним установлена своими «холодными» спаями батарея ТЭМ 8, к горячим спаям которой присоединен с обеспечением теплового контакта теплообменник 9. Блок управления 10 осуществляет контроль сопротивления вещества, заполняющего кожух 3, и питает электрической энергией батарею ТЭМ 8. Демпфер 1, кожух 3 и теплообменник 9 выполнены из высокотеплопроводного материала.

Суть работы устройства состоит в следующем. Известно, что фазовый переход кристаллических веществ происходит при строго определенном значении температуры. Это значение у некоторых кристаллических материалов находится в диапазоне 30 - 50° С (например у галлия « 30°). Если поместить в непосредственный тепловой контакт с таким материалом, находящимся в состоянии фазового перехода, тепловыделяющий элемент РЭА, то можно осуществить его термостабилизацию с очень высокой точностью. При этом возникает проблема отвода тепла, выделяемого элементом РЭА, от термостабилизирующего вещества, находящегося в состоянии фазового перехода. В предлагаемом решении такой отвод избытка тепловыделений осуществляется посредством батареи ТЭБ. Контроль состояния термостабилизирующего вещества реализуется измерением его сопротивления.

Рис.3. Конструкция устройства для термостабилизации элементов РЭА большой мощности

А-

Устройство работает следующим образом. Если сопротивление термостабилизирующего вещества 4 отличается от допустимого значения, то блок управления 10 подает необходимый ток питания на батарею ТЭМ 8. В результате батарея ТЭМ 8 отводит избыток тепла от термостабилизирующего вещества 4, сохраняя при этом необходимую температуру элемента РЭА 5. Избыток тепла от горячих спаев батареи ТЭМ 8 отводится теплообменником 9. При установлении сопротивления термостабилизирующего вещества 4 на необходимый уровень, блок управления 10 отключает батарею ТЭМ 8.

Термоэлектрическая система для термостабилизации элементов радиоэлектронной аппаратуры с высокими тепловыделениям проточного типа

В настоящее время одним из распространенных методов отвода тепла от элементов РЭА с высокими тепловыделениями является принудительное жидкостное охлаждение. При использовании этого метода отвод тепла от элементов РЭА производится за счет прокачивания охлаждающей жидкости через каналы в узлах охлаждаемого прибора. Довольно часто используется схема охлаждения [1], в которой теплообмен между тепловыделяющим элементом РЭА и жидкостью происходит в условиях вынужденной конвекции в замкнутом контуре. При этом отвод тепла от контура осуществляется с помощью теплообменника, а движение жидкости - с помощью нагнетателя.

Недостатком указанных систем охлаждения является невозможность поддержания температуры элемента РЭА на определенном уровне с высокой точностью

(осуществления Д0- термостабилизации

элемента РЭА)

вследствие большой ошибки термостатирования охлаждающей жидкости.

Для повышения точности термостабилизации элементов РЭА, а также уменьшения габаритных размеров и упрощения конструкции предлагается устройство, изображенное на рис.4. Устройство содержит тонкостенный металлический контейнер 1 с плавящимся рабочим веществом 2, крышка 3 которого выполнена в виде плоской

поверхности, с

внутренней стороны

которой расположены

металлические штыри 4, погруженные в плавящееся рабочее вещество, а с внешней -элемент РЭА 5, теплообменник 6, представляющий собой тонкостенную металлическую трубку, по которой протекает охлаждающая жидкость. Та часть теплообменника, которая находится в контейнере с плавящимся рабочим веществом, выполнена в форме спирали,

Рис.4. Конструкция термоэлектрической система для термостабилизации элементов радиоэлектронной аппаратуры с высокими тепловыделениям проточного типа

А-

окружающей металлические штыри крышки с зазором между трубкой и штырем 10-15 мм.

Протекание жидкости по теплообменнику осуществляется посредством нагнетателя 7, охлаждение жидкости - термоэлектрической батареей 8, питаемой от источника электрической энергии 9. Для снижения до минимума влияния колебаний температуры окружающей среды применяется теплоизоляция 10.

Устройство работает следующим образом. Тепло, поступающее от элемента РЭА, передается на крышку, штыри и через поверхность соприкосновения рабочему веществу. Далее одновременно происходит прогрев плавящегося рабочего вещества до температуры плавления и процесс плавления. При плавлении рабочего вещества температуры крышки и соответственно температура элемента РЭА будет поддерживаться при постоянном значении, равном температуре плавления рабочего вещества. При этом охлажденная термоэлектрической батареей жидкость, протекающая через теплообменник, не будет давать рабочему веществу расплавиться полностью, тем самым сохраняя необходимый температурный режим элемента РЭА на сколь угодно длительное время.

Библиографический список:

1. Дульнев Г.И. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984.

2. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев: Наукова думка, 1979.

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

4. Исмаилов Т.А., Аминов М.С., Гаджиев Х.М. Термоэлектрические устройства для теплоотвода и термостатирования радиоэлектронных систем. Махачкала: ДГТУ, 2000.

5. Евдулов О.В. Охлаждение и термостабилизация электронной аппаратуры на основе термоэлектрических модулей. - Изв. Вузов. Приборостроение, 2000, №5.

6. Аксенов А.И., Глушкова Д.Н., Иванов В.И. Отвод тепла в полупроводниковых приборах. М.: Энергия, 1971.

7. Патент РФ №2133084 Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для отвода теплоты и термостабилизации микросборок. /Исмаилов Т.А., Гаджиева С.М./ Б.И. №19, 1999.

8. Патент РФ №2133560 Термоэлектрический интенсификатор теплопередачи преимущественно для отвода тепла от импульсных источников и элементов радиоэлектроники большой мощности. /Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Мамедов К.А./ Б.И. №20, 1999.