УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
THERMAL STABILISATION DEVICE OF RADIOELECTRONIC EQUIPMENT

Предлагаемое устройство относится к области электрорадиотехники и направлено на стабилизацию температуры посадочных поверхностей под радиоэлектронные приборы и аппаратуру (РЭА), надежность работы и точность срабатывания которых зависит от температурных воздействий. Одним из критических параметров являются переменные внешние и внутренние тепловые потоки, приводящие к "пиковым" температурным нагрузкам на РЭА, из-за которых она может выходить из строя.
Наиболее перспективным методом борьбы с "пиковыми" нагрузками является использование энергии фазового перехода эвтектических сплавов, многократность срабатывания которых обеспечивает поддержание стабильности температуры и повышение надежности работы РЭА.
Известны устройства, обеспечивающие термостабилизацию РЭА с использованием плавящихся веществ, часть которых находится в твердом, а часть в расплавленном состоянии и в зависимости от температурных нагрузок, меняющих свое соотношение. Смотрите книгу В.А.Алексеева "Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ", М.: Энергия, 1975, стр.74. Она представляет собой термостатируемый объем с радиоэлектронной аппаратурой, окруженный изотермическим слоем. При стационарном режиме температура в объеме будет равна температуре плавления. Для поддержания стабильности температуры в термостатируемом объеме необходимо, чтобы часть кристаллического вещества постоянно находилась в расплавленном состоянии. Для осуществления этого условия используется свойство расширения вещества при плавлении, что влечет за собой изменения объема жидкого вещества. Для компенсации изменения объема используется сильфон, который приводит в действие микровыключатель, включающий и выключающий обмотку обогрева, тем самым поддерживая постоянным объем расплавленного вещества, в качестве которого взят нафталин, плавящийся при температуре 79,5°. Это устройство не лишено недостатков. Наличие множества отсеков, разделяющих их ребра, выступающие в роли компенсатора объема, не обеспечивает надежности срабатывания из-за возможного срабатывания газовых пузырей. Кроме того, в условиях больших переменных внешних и внутренних тепловых потоков масса и объем плавящего вещества оказывается значительными.
В качестве прототипа выбрано устройство термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры по патенту Российской Федерации RU 2240606 С2.
Устройство предназначено для стабилизации температуры посадочных поверхностей под радиоэлектронные приборы, точность которых зависит от температурных воздействий. Технический результат достигается за счет того, что внутри корпуса находятся две полости, разделенные упругой диафрагмой. В одну помещается плавящееся вещество с температурой плавления, близкой к стабилизируемой, в другую - компенсирующая жидкость с температурой плавления, меньшей, чем у плавящегося вещества. Полость с компенсирующей жидкостью сообщается с емкостью рабочего цилиндра, в которой ходит поршень, воздействующий на привод, регулирующий температуру радиатора излучения. Способ регулирования может быть любой, например использованием жалюзи, электрообогревателей. Однако это устройство также не лишено недостатков.
Условие поддержания стабильной температуры посадочного места РЭА требует, чтобы во всем диапазоне изменения тепловых потоков (внешних и внутренних) всегда существовала граница раздела фаз плавящегося вещества, т.е. были жидкая и твердая фазы. Однако в случае неравномерной плотности теплового потока через посадочную поверхность РЭА и при наличии градиента температуры на поверхности корпуса устройства условия существования непрерывной границы раздела фаз могут быть нарушены, и устройство перестанет работать.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы, точности регулирования температурных режимов. Это достигается тем, что устройство термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры, состоящее из корпуса с внутренней полостью, разделенной с помощью мембраны на две зоны, одна из которых заполнена рабочим веществом, способным плавиться, а другая, сообщающаяся с емкостью рабочего цилиндра с поршнем, связанным с механизмом регулятора температуры, заполнена компенсирующим веществом, на верхней поверхности корпуса между РЭА и на нижней между радиатором излучения с устройством регулирования температуры и механизмом регулятора температуры дополнительно устанавливают гипертеплопроводящие пластины (ГТП), выравнивающие плотности теплового потока через посадочную и теплоотводящую поверхности корпуса.
Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на (фиг.1) изображен общий вид устройства. Оно состоит из корпуса 1 с внутренней полостью, разделенной с помощью упругой мембраны 5 на две зоны. Первая зона полости заполнена рабочим веществом, способным плавиться и содержащим жидкую 2 и твердую 3 фазу с границей раздела между ними 16. В качестве рабочего вещества используется эвтектический сплав, например Ga-Sn. Вторая зона полости сообщается с емкостью рабочего цилиндра 11, в которой ходит поршень 12, воздействующий на механизм регулятора температуры 13, например привод регулятора или электровыключатель, заполнена компенсирующим веществом 4. В качестве компенсирующего вещества используется вещество с меньшей, чем у рабочего, температурой плавления, например ртуть. На верхней посадочной поверхности корпуса 1 помещена ГТП 6, на которой установлена РЭА 7, а на нижней теплоотводящей поверхности корпуса 1 помещена ГТП 8 и радиатор излучения 9 с устройством регулирования температуры радиатора излучения 10, например, жалюзи или электрообогреватель.
ГТП (фиг.2) представляет из себя пористую структуру 14 в виде микроканалов 15, заполненных теплоносителем с температурой фазового перехода «жидкость-пар» в заданном диапазоне температур функционирования РЭА, например водой. По сути это плоская тепловая труба. В такой структуре теплоноситель осуществляет передачу тепла из более нагретой зоны в менее нагретую за счет скрытой теплоты испарения, что обеспечивает эффективную теплопроводность материала, в 10÷100 раз превосходящую теплопроводность алюминия.
Работает устройство следующим образом. При подводе тепла от РЭА 7 повышается температура ГТП 6. За счет сверхвысокой теплопроводности материала происходит выравнивание температуры по поверхности и равномерный нагрев через стенку посадочной поверхности корпуса 1 компенсирующей жидкости 4 и далее рабочего вещества, способного плавиться.
После разогрева рабочего вещества до точки плавления оно начинает плавиться, переходя из твердого состояния 3 в жидкое 2 и поглощая при этом количество тепла, равное теплоте его плавления. При увеличении количества расплавленного вещества фазовая граница 16 между жидкой 2 и твердой 3 фазами смещается вниз в сторону теплоотводящей нижней поверхности корпуса 1. При плавлении объем рабочего вещества увеличивается и упругая мембрана 5 перемещается.
Регулирование объема жидкой фазы 2 рабочего вещества происходит с помощью перетекания компенсирующего вещества 4, разделенного с рабочим веществом при помощи мембраны 5. Компенсирующее вещество 4, вытесненное в рабочий цилиндр 11 с поршнем 12, с помощью механизма регулятора температуры 13 управляет устройством регулирования температуры радиатора излучения 10.
Наличие между верхней посадочной поверхностью корпуса 1 и РЭА 7 ГТП 6, а также между нижней теплоотводящей поверхностью корпуса 1 и радиатором излучения 9 ГТП 8 обеспечивает равномерное распределение температуры по всей поверхности корпуса 1. В таких условиях граница раздела фаз рабочего вещества всегда располагается параллельно поверхностям посадочной и теплоотводящей поверхностей корпуса, обеспечивая устойчивую работу устройства.
Температура радиатора излучения должна быть всегда ниже температуры границы раздела фаз плавящегося вещества. Регулируя температуру радиатора излучения, можно перемещать границу раздела фаз по высоте полости, заполненной плавящимся веществом. Удержание границы раздела фаз в некотором заданном диапазоне обеспечивает стабилизацию температуры посадочной поверхности корпуса 1 и ГТП 6.
Устройство регулирования температуры радиатора излучения 10 может быть выполнено в виде жалюзи или электрического нагревателя.
Таким образом, происходит термостабилизация РЭА и ее надежная работа в широком диапазоне переменности внешних и внутренних тепловых потоков. Предлагаемое устройство допускает неоднократные включения аппаратуры и отдельных блоков ее при абсолютной надежности регулировки температуры.
На предприятии изготовлен опытный образец устройства термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры, использующий ГТП, который обеспечил точность поддержания температуры посадочной поверхности корпуса размером 0,1 м × 0,18 м в пределах ±0,1°С.
При изучении известных технических решений в данной области техники совокупность признаков, отличающих заявляемый объект, не была выявлена. Предлагаемое решение существенно отличается от известных на данный момент времени.
Заявляемое решение явным образом не следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень.