Классификация систем охлаждения на основе конструктивных особенностей охлаждаемого элемента

Для распознавания грозоопасных кучево-дожде-вых облаков и ливневого дождя с грозой традиционно используются следующие критерии [5]:

1) в теплое время года: lgZ2 ^ 3,5; lgZ3 ^ 3,0 при высоте радиоэха более 2 ^ 2,5 км над уровнем нулевой изотермы; вероятность грозы более 90%; 10 ^ у ^ 20 - вероятность грозы менее 70%; 20 ^ у ^ 25 - вероятность грозы 75-80%; у >25 - вероятность грозы более 90%;

2) в холодное время года: lgZ3 > (2 - 2,5) при четко выраженном радиоэхе кучевообразных облаков (РКО) на высоте более 4-6 км.

Для идентификации мощных кучевых облаков и кучево-дождевых облаков с ливнями критериями являются:

1) в теплое время года: 6 ^ у < 10 ливневые осадки с вероятностью 70-90%, если lgZ1 ^ 0 (при 6 ^ у < 10 ) вероятность ливневых осадков в радиусе до 90 км составляет 90-95%. При наличии нижней границы РКО, lgZ1 < 0, у < 6 фиксируются кучево-образные облака без метеоявлений.

2) в холодное время года: при lgZ1 ^ 1,3 фиксируется ливневый снег в радиусе до 90 км с вероятностью более 90%; при 0,7 < lgZ1 ^ 1,3 фиксируется ливневый снег с вероятностью 30-70%; при -0,3 ^ lgZ1 ^ 0,7 фиксируется обложной снег в радиусе до 90 км.

Идентификация МО в МРЛ предложенном в [1] должна осуществляться в строгом соответствии с алгоритмом (Рис.1), в котором показана последовательность анализа параметров идентификации МО, идущая двумя параллельными этапами. Первый определяет тип метеообразования по очагам конвекции капель, а второй проводит статистическую обработку, в которой производятся вычисления и определяется тип МО на основе радиолокационных данных, таких как максимальная высота верхней границы радиоэха ( Hmax), значение отражаемости ( Z), вертикальный профиль отражаемости (y). Полученные в итоге по данному алгоритму выводы о характере МО, будут отображены на дисплее и сопоставляя их с яркостным изображением самого метеообразования на индикаторе кругового обзора МРЛ, оператор делает вывод о типе обнаруженного атмосферного явления.

В алгоритме идентификация обнаруженного ме-теобразования основана на сопоставлении данных, полученных МРЛ в результате измерения с пороговыми значениями, что может быть выполнено на логических элементах. Если данное значение не удовлетворяет условию, а так же радиолокационная идентификация МО. Всё это реализуется на программируемом микроконтроллере на базе CompactRIO и Single-Board RIO [6].

ЛИТЕРАТУРА

1. Белов А.В., Чайковский В. М. "Метеорологический допплеровский радиолокатор" - Тр. междунар. симпозиума "Надежность и качество" Т. 2, Пенза, 2015 г.

2. Официальный сайт Всемирной метеорологической организации www.wmo.int

3. Справочник радиолокации. Книга 2 под. ред. Меррилла И. Сколкина. Москва 2014

4. Возможности метеорологических радиолокаторов в обнаружении облачности и опасных явлений погоды Н. А. Калинин, А. А. Смирнова Удк 551.501.8:551.576 Пермский государственный университет.

5. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. Г.Б. Брылёв, С. Б. Гашина, Г. Л. Низдой-минога. Ленинград 1986.

6. Платформы CompactRIO и Single-Board RIO. National Instruments. 2015 г.

7. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев // Научный журнал Изв. высш.уч.завед. Поволжский регион.-2012.-№1.

УДК 004.75

Мухамбетов А.М., Рыбаков И.М., Горячев Н.В,

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОХЛАЖДАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА

Рассмотрена классификация систем охлаждения электрорадиоизделий и электронных средств. Приведены особенности отдельных способов охлаждения. Проанализированны возможности дальнейшего развития средств охлаждения. Ключевые слова:

теплоотвод, радиатор, система охлаждения.

Одна из тенденций современной электроники -уменьшение габаритов устройств при одновременном росте требований к их производительности (функциональной сложности) и надежности. При этом размещение большого числа энергопотребляемых электронных модулей на малой площади приводит к их интенсивному нагреву. Поэтому все актуальнее становится проблема эффективного охлаждения электронных средств [1]. Прослеживается настоятельная необходимость развития теории создания надежных систем отвода тепла от электронных компонентов.

Системы охлаждения принято разделять на две основные группы: пассивные системы охлаждения и активные системы охлаждения [1].

Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла - конвекцией, теплопроводностью и излучением. В активных методах используется активный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.

Самый простой способ охлаждения ЭРИ - пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения [1, 3] . Размеры полупроводникового кристалла, как активного тепловыделяющего элемента, также как и размеры резистивных элементов имеют небольшие поверхности, чтобы конвекции было достаточно для их охлаждения. При закреплении корпуса ЭРИ на радиаторе многократно увеличивается площадь

охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса ЭРИ передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом. По конструкции различают пластинчатые, ребристо-пластинчатые, игольчатые радиаторы (рисунок 1). Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция, как обладающая наибольшей площадью теплоотдачи.

а) б)

Рисунок 1 - Конструкция радиаторов: а- ребристый; б - игольчатый.

Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничто не движется, а, следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток - низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25 - 30 см2.

Более эффективное охлаждение дает принудительная конвекция, например, за счет обдува вентилятором. Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ЭРИ по причине низкой теплоемкости и теплопроводности газов. В условиях принудительного охлаждения роль теплового излучения мала, так как на его долю приходится около 3 % отводимого тепла. Для повышения качества обдува можно использовать один или нескольких методов: увеличение количества вентиляторов; увеличение скорости вращения крыльчатки вентилятора; установка вентиляторов большего диаметра; увеличение количества лопастей, а также изменение их формы (т.е. замена существующих вентиляторов на более «продвинутые» модели); разработка более эффективной схемы движения воздушных масс; устранение препятствий на пути отвода воздуха. К достоинствам такой системы охлаждения относят: низкую стоимость; простоту установки и обслуживания. Однако у данной системы есть и существенные недостатки: вращающаяся крыльчатка является основным источником шума в устройстве; скромные, в сравнении с другими активными системами, показатели эффективности; небольшой потенциал для покрытия постоянно возрастающих потребностей в охлаждении; вентиляторы обладают невысокой надежностью [1].

Более эффективным является жидкостное охлаждение. Известно, что теплоемкость жидкостей значительно выше, чем газов. Система жидкостного охлаждения работает следующим образом: миниатюрный резервуар, объем которого меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ЭРИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов: скорости охлаждающей жидкости; состава охлаждающей жидкости; наличия турбулентности; количества каналов охлаждения в радиаторе; материала радиатора.

Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки. Естественную конвекцию с применением тепловых трубок целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения или охлаждения с применением вентилятора. Теп-

Области примене

ловая трубка представляет собой тонкостенный металлический сосуд. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла, а другой -к приемнику - радиатору, будет происходить интенсивный теплообмен. Количество отводимого тепла окажется во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра. Отсутствие насосов и помп делает этот метод экономичным (нет шума и потребления энергии), однако малая длина трубок (до 30 см) снижает эффективность метода.

Современной технологией охлаждения является применение термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников в местах контактов выделяется или поглощается тепло (в зависимости от направления тока). Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы - 50 тысяч ч.). Существенными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением термоэлектрических модулей (ТЭМ) является [1]: малые габариты и вес (именно они определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фото-электронике); высокая надежность; высокая охлаждающая способность на единицу веса и объёма; возможность плавного и высокоточного регулирования холодопроизводи-тельности и температурного режима; малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева; отсутствие рабочих жидкостей и газов и др.

Любая даже наиболее эффективная жидкостная система имеет следующие недостатки: возможность протечек; микронасос и вентилятор требуют потребления энергии; система занимает определенные габариты; все, что движется (вентилятор и насос), снижает надежность и является источником шума.

Термоохладители надежны и бесшумны, имеют малые габариты, однако их недостатком является большое потребление энергии, термоохладитель сам является источником выделения тепла, для его работы требуются токи до десятков ампер, тогда как у жидкостных систем ток не превосходит 0,3 А. Каждая из существующих систем охлаждения ЭРИ имеет свои особенности, которые определяют область применения (таблица 1.). ния систем охлаждения Таблица 1

Охлаждение Преимущества Недостатки Применение

Принудительное воздушное Низкая цена, отсутствие утечек Большой объем, необходимость распределения тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы Во всех областях электроники

Жидкостное Малый объем, гибкая конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов Необходим компрессор, возможность утечек, высокая цена Лазерные диоды, силовая электроника

Тепловые трубки Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов Ограниченная теплонесущая способность, высокая цена, сложная конструкция Компьютеры, силовая электроника, космос

Термоэлектрические Малый объем, низкое тепловое сопротивление Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффективность Оптоэлектроника

Обобщенная классификация СО (рисунок 1.6), составленна на основе работ [1-3] и расширена за счет введения СО, получивших широкое распространение в последние годы. Это СО, встроенные в ПУ [4], и системы, основанные на применение CVD-алмазов [5].

Если рассматривать СО для ЭРИ, то основываясь на анализе работ [1-3], можно сделать вывод, что на сегодняшний день в силу своей простоты и технологичности изготовления наибольшее распространение для обеспечения теплового режима ЭРИ получили воздушные системы охлаждения. Это наглядно демонстрирует рисунок 3

Однако, следует признать, что доля воздушных систем год от года падает прежде всего за счет развития жидкостных и комбинированных СО. Также, свою роль играет тот факт, что с развитием силовой электроники повышается удельная плотность

рассеиваемой мощности и расширяется температурный диапазон, а также уменьшаются габариты электронных средств, что предъявляет повышенные требования к массо-габаритным параметрам СО.

Дальнейший прогресс техники, содержащей теп-лонагруженные ЭРИ, возможен только при условии повышения эффективности систем охлаждения, наиболее перспективными из которых являются системы, построенные с применением новых материалов. В связи с чем необходимы новые средства оценки, анализа и исследования работы систем охлаждения. К таким средствам можно отнести специализированные информационно-измерительные системы (ИИС) [6]. ИИС не только позволяет проводить измерения температуры реальной системы охлаждения, но и проводить вычислительный эксперимент и обеспечивает выбор унифицированной конструкции СО.

Рисунок 2 - Классификация систем охлаждения

Рисунок 3 - Распространённость систем охлаждения ЭРИ

ЛИТЕРАТУРА

1. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по специальности "Конструирование и производство радиоаппарартуры" / Г. Н. Дульнев. - М. : Высш. шк., 1984.

- 247

2. Горячев Н.В. Информационно-измерительная система для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.11.16 / Пензенский государственный университет. Пенза, 2014.

3. Меркульев А.Ю. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий / А.Ю. Меркульев, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Молодой ученый. - 2013. - №11. - С. 143-145.

4. Oueslati R. B., Therriault D., Martel S. PCB-integrated heat exchanger for cooling electronics using microchannels fabricated with the direct-write method. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2008, vol. 31, no. 4, pp. 869-874.

5. Вяхирев В.Б. Изолирующие теплоотводы на основе CVD-алмаза для силовой электроники / Вяхирев В.Б., Духновский М.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю. // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника. 2009. № 3 (502). С. 36-40.

6. Горячев Н.В. Тепловая модель учебной системы охлаждения / Н.В. Горячев, Д.Л. Петрянин // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2014. № 2. С. 197-209.