Устройство тепловой защиты для тепловыделяющих элетрорадио изделий

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам тепловой защиты, использующим скрытую теплоту фазового перехода теплоаккумулирующего вещества применяемого для обеспечения температурного режима эксплуатации тепловыделяющих электрорадиоизделий (ЭРИ) при циклической эксплуатации и защиты от кратковременных внешних тепловых воздействиях.
Устройства тепловой защиты являются широко применяемыми теплотехническими средствами, и их разработка активно продолжается с развитием техники и используемых материалов.
Известен аккумулятор тепла RU 2436020 (опубликован 10.12.2011) в котором накопление тепловой энергии осуществляется в кассетах, заполненных металлической теплопроводной структурой и теплоаккумулирующим веществом. Известно так же теплоаккумулирующее устройство, представленные в патенте RU 2306494, (опубликованном 20.09.2007г.), применяемое для тепловой стабилизации радиоэлектронной аппаратуры за счет формоустойчивого вещества, контактирующего с окружающей средой.
Также известны различные устройства тепловой защиты электронных модулей в аварийных условиях. Например, RU 2324258 (опубликован 10.05.2008), представляющий собой металлический корпус с расположенными внутри него слоями тепловой изоляции и теплоаккумулирующего вещества.
Прототипом к предлагаемой полезной модели является устройство тепловой защиты модуля памяти RU 2473982 (опубликован 27.01.2013), содержащее корпус с крышкой, выполненные из металла, при этом внутренние поверхности корпуса образуют полость для размещения в ее центре электронного модуля памяти с соединительным кабелем, пассивную теплоизоляционную прокладку, прилегающую к внутренней поверхности корпуса и выполненную в форме стакана с крышкой, активную теплозащитную оболочку, выполненную из композиционной смеси в виде разъемной детали, отличающееся тем, что активная теплозащитная оболочка состоит из корпуса с размещенным внутри электронным модулем памяти и крышки, соединенных между собой поверхностями, имеющими форму усеченного конуса, при этом корпус и крышка активной теплозащитной оболочки заключены в герметичные упаковки, изготовленные из полиэтилена для защиты внутренней поверхности и из фольгированного алюминием полиэтилена для защиты наружной поверхности активной теплозащитной оболочки.
Представленное устройство представляет собой замкнутый корпус, устанавливаемый на печатной плате. Во внутреннем объеме формируются 3 полости – одна служит для размещения защищаемой микросхемы, вторая заполняется теплоаккумулирующим веществом, третья – теплоизолирующим веществом. Во внутреннем пространстве размещается защищаемый электронный компонент, а внешние полости заполняются теплоизолирующими материалами, при этом часть материала теплоизоляции является абляционной и разрушается при внешних воздействиях.
К недостаткам прототипа можно отнести:
представленное устройство тепловой защиты не позволяет эксплуатацию тепловыделяющих радиоэлектронных компонентов ввиду последующего собственного перегрева системы;
многослойная система в случае с полупроводниковыми электрорадиоизделиями (транзисторы, диоды и т.д.) является избыточной, поскольку внешнее воздействие приведет к разрушению печатной платы раньше, чем к выходу из строя ЭРИ;
низкая эффективность отвода тепловой энергии из внутреннего объема устройства.
Для устранения представленных недостатков и предлагается описываемая полезная модель. Основные технические решения для устранения представленных недостатков прототипа заключаются в следующем:
в конструкции устройства формируется единственная полость, заполненная теплоаккумулирующим веществом (далее ТАВ);
в объеме с теплоаккумулирующим веществом размещаются теплопроводящие пиролитические листовые материалы;
корпус выполняется из теплопроводящего материала и термостатируемое ЭРИ размещается на внешней стороне корпуса;
область установки дополнительно защищается внешней деталью при возможном прямом воздействии, экранируя ЭРИ.
Техническим результатом является защита ЭРИ от временных внешних тепловых потоков.
Технический результат достигается тем, что устройство тепловой защиты для тепловыделяющих электрорадиоизделий, содержит корпус с крышкой, выполненные из металла, при этом внутренние поверхности корпуса образуют полость, причем внутренний объем полости заполнен фазопереходящим теплоаккумулирующим веществом и листовым пиролитическим графитовым материалом. В свою очередь корпус снабжен не менее чем одним отверстием для монтажа на печатной плате, а боковые стенки или основание корпуса являются установочными поверхностями для тепловыделяющих   электрорадиоизделий. На корпусе в области размещения электрорадиоизделий установлена экранирующая плоская металлическая деталь г-образной формы. Листы пиролитического материала содержат области, контактирующие с корпусом теплоаккумулирующего устройства. Листовые пиролитические графитовые материалы имеют изгибы, которые сформированы по схемам, приведенным на фиг.4.
Выполнение предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами.
На фиг.1 и фиг. 2 представлена структура УТЗ в разрезе:
1 – крышка корпуса УТЗ;
2 – полости, заполненные теплоаккумулирующим веществом с размещенными пиролитическими листовыми графитовыми (PGS) материалами;
3 – металлический теплопроводящий корпус УЗТ;
4 – печатная плата радиоэлектронной аппаратуры;
5 – тепловыделяющее защищаемое ЭРИ.
На фиг.3 представлен внешний вид УТЗ.
На фиг. 4 представлены виды сечения листового PGS материала и возможные варианты заполнения объема ТАВ. А – прямое сложение с острыми углами и возможным повреждением структуры PGS в областях изгиба; Б – сложение PGS формированием площади контакта для лучшей теплопередачи от ЭРИ к ТАВ и компенсации продольного сжатия за счет изгибов в основании; В – эквивалентно Б, с тем отличием, что осуществляется скругление вместо острых углов; Г – перпендикулярное складывание PGS с формированием контактных площадок; Д и Е – аналогично Г за исключением изменения геометрии углов в области сгиба или применения скругления материала PGS, Ж – к геометрии добавляются периодические сгибы, для повышения заполнения внутреннего объема ТАВ.
На фиг. 5. Представлена динамика температуры по результатам математического моделирования замкнутого объема УТЗ с применением структуры на основе PGS и без неё. Моделирование осуществлялось при тепловыделении источника тепловой мощности 1 Вт и объемом ТАВ 1 см3. Результат моделирования продемонстрировал большую площадь фронта плавления ТАВ при схожих показателях запасаемой тепловой энергии.
На фиг.6 представлен вид УТЗ с размещенной экранирующей плоской металлической деталью г-образной формы.
Принцип функционирования и некоторые предлагаемые особенности изготовления предлагаемой полезной модели УТЗ.
Охлаждаемый тепловыделяющий ЭРИ 5 размещается на теплопроводящем корпусе 3 с помощью крепежных отверстий (на фиг. не показано).
В полом объёме 2 корпуса 3 размещается ТАВ, выполненное в виде сложенной структуры пиролитического листового материала (по одной из форм сложения представленных на Фиг.4). Геометрические показатели области ТАВ подбираются таким образом, чтобы обеспечивать установку с натягом. Создание компенсирующих полостей не требуется за счет последовательного изготовления области с ТАВ и соответствующего гистерезиса объема теплоаккумулирующего вещества.
Для веществ со снижением плотности в твердой фазе (объем твердого вещества больше объема жидкого): Заливка структуры жидким ТАВ, заполнение внутреннего объема, остывание, удаление излишков вещества в твердой фазе.
Для веществ со снижением плотности в твердой фазе (объем твердого вещества меньше объема жидкого): Заливка структуры жидким ТАВ, заполнение внутреннего объема, остывание.
В обоих случаях образуется полость без ТАВ, объем которой зависит от изменения плотности вещества при фазовом переходе. Тип ТАВ подбирается исходя из показателей требуемой температуры фазового перехода, химической активности и совместимости с материалами корпуса. Пример применяемых ТАВ – вода (как вещество с максимальной теплоемкостью), парафины, композиция RU2190656 и др.
Подготовленная PGS структура с ТАВ устанавливается в корпус (или заполняется в установленном состоянии), и затем производят герметизацию внутреннего объема внешними элементами корпуса.
Вариант исполнения ТАВ: вместо пиролитических графитовых материалов в формате сложенных листов применяется пористая открыто-ячеистая структура.
В случае присутствия прямых внешних тепловых воздействий, которые повлияют на работоспособность защищаемого ЭРИ, на УТЗ в области расположения ЭРИ устанавливается экранирующая плоская металлическая деталь г-образной формы.
Предлагаемое устройство тепловой защиты (УТЗ) обеспечивает температурный режим эксплуатации электрорадиоизделий в составе печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Для поддержания температурного режима эксплуатации в них используется собственная теплоемкость конструкционных материалов и скрытая теплота фазового перехода теплоаккумулирующего вещества (ТАВ).
Габаритные размеры и форма УТЗ определяются конструкцией термостатируемых ЭРИ, длительностью их режима эксплуатации и интенсивностью ожидаемых внешних тепловых воздействий. По достижении ТАВ собственной температуры плавления происходит фазовый переход, значительно повышающий потенциальную теплоемкость УТЗ. Размещенная в объеме ТАВ сложенная структура из листового пиролитического углеродного материала (PGS) позволяет повысить теплопроводность системы и обеспечить тепловой контакт между жидкой фазой ТАВ и корпусом УТЗ за счет капиллярных сил и прямого физического контакта.
По завершению этапов эксплуатации и прекращению внешних тепловых воздействий происходит остывание радиоэлектронной аппаратуры за счет теплообмена с окружающей средой. Время, требуемое для восстановления исходных показателей системы, напрямую определяется интенсивностью теплообмена с окружающей средой и теплофизическими показателями УТЗ.