Системы охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры на базе плавящихся тепловых аккумуляторов с дополнительным воздушным и жидкостным теплосъемом

ТЕПЛОФИЗИКА

УДК 681.382

Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., Габитов И.А.

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НА БАЗЕ ПЛАВЯЩИХСЯ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ И ЖИДКОСТНЫМ ТЕПЛОСЪЕМОМ

Ismailov T.A., Evdulov O. V., Evdulov D. V., Gabitov I.A.

COOLING COMPONENTS OF ELECTRONIC EQUIPMENT ON THE BASIS OF CONSUMABLE HEAT ACCUMULATOR WITH ADDITIONAL AIR AND LIQUID HEAT REMOVAL

В статье рассмотрены системы охлаждения элементов РЭА, выполненные на базе плавящихся тепловых аккумуляторов с дополнительным воздушным и жидкостным теплосъемом. Приведены результаты их теоретического исследования.

Ключевые слова: охлаждение, элемент РЭА, плавящийся тепловой аккумулятор, воздушный теплоотвод, жидкостный теплоотвод, теоретические исследования.

In the article the cooling elements of REA performed on the basis of melting heat storage with additional air and liquid heat removal. The results of theoretical research.

Key words: cooling, the element of REA, melting heat storage, air heat, heat the liquid, the theoretical study.

Существует целый ряд радиоэлектронных приборов, подвергающихся периодическим кратковременным тепловым нагрузкам. Для обеспечения их эффективного функционирования на сегодняшний день используются различные виды тепловых аккумуляторов [1], среди которых лучшими показателями обладают наполнители, основанные на аккумуляции теплоты при фазовом переходе веществ. Системы теплоотвода, построенные на их основе, обладают малыми габаритными размерами, улучшенными энергетическими характеристиками, надежны, их функционирование не зависит от действия силовых полей.

Для надежной работы элемента РЭА в этом случае необходимым является наличие достаточного количества плавящегося рабочего вещества для аккумуляции выделяемого количества теплоты, а также скважности перерыва между включениями аппаратуры, чтобы за это время рабочее вещество успело затвердеть до следующего цикла включения РЭА. При охлаждении радиоэлектронных приборов с небольшим промежутком между рабочими циклами в этом случае возникают некоторые трудности вследствие недостатка времени, необходимого для затвердевания рабочего агента. В этой ситуации целесообразно применение некоторой системы, позволяющей интенсифицировать процесс затвердевания рабочего агента. В качестве такой системы эффективным будет использование средств, основанных на воздушном и жидкостном методах теплоотвода.

Целесообразная область совместного использования плавящихся тепловых аккумуляторов и приборов на основе воздушного и жидкостного охлаждения состоит в обеспечении тепловых режимов работы РЭА, функционирующей в режиме повторно-кратковременных тепловыделений с низкой скважностью электромагнитных импульсов. При этом, естественно, рассеиваемая элементами РЭА мощность должна лежать в умеренных пределах - 100-150 Вт.

Для эффективной реализации указанных систем термостабилизации элементов РЭА предлагаются следующие схемы.

1

2

3

I/

4

Рисунок 1, а. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, основанная на совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и воздушной системы теплоотвода

1

2

3

Рисунок 1, б. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, основанная на совместном использовании плавящихся рабочих веществ и жидкостной системы теплоотвода

5

6

4

На рис.1, а приведен вариант, реализующий принцип совместного применения плавящихся тепловых аккумуляторов и воздушной системы теплоотвода. Здесь элементы РЭА 1 размещаются на двух противоположных торцевых поверхностях тонкостенного металлического контейнера 2, заполненного рабочим веществом 3. В направлении, перпендикулярном размещению элементов РЭА, в металлической емкости имеется канал 4 для продува воздуха за счет установленных вентиляторных агрегатов 5, один из которых работает на вдув воздушного потока, а другой - на выдув. Вентиляторные агрегаты включаются и осуществляют продув воздушного потока по каналу в перерыве функционирования тепловыделяющего элемента. В общем случае канал для продува воздушного потока может быть оребрен.

На рис.1, б изображена конструктивная схема системы охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, выполненная при

совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и жидкостной системы теплоотвода. Принципиальное отличие данной системы от рассмотренной на рис.1, а состоит в том, что вместо вентиляторной системы в данной конструкции предусмотрена система 6, осуществляющая прокачку через канал охлаждающей жидкости. Форма канала в общем случае может быть произвольной.

Для анализа характеристик предложенных систем произведен расчет происходящих в них процессов теплообмена. Исследования плавления и затвердевания рабочего агента производились в соответствии с соотношениями, приведенными в [2], расчет воздушного и жидкостного осуществлялся в последовательности, изложенной в [3].

На основе расчетных соотношений получены зависимости изменения температуры оболочки от времени при плавлении вещества, а также координаты границы раздела фаз от времени при различных мощностях рассеяния элемента РЭА (рис.2) и различных наполнителях (рис.3).

Тоб, К

39 т

37 —

35 —

33 --

31 --

30

дРЭА=4000 Вт/м2

108

216

324

432

540 т,с

Рисунок 2, а. Зависимость температуры оболочки от времени при плавлении

вещества (вещество - парафин), (cpS)o6 =2-103 Дж/(м2-К); R =0,03

м

4, м

0.03 т

0.024- "

0.018"

0.012"

0.006"

дРЭА=4000 Вт/м

1080

—I-

2160

—I-

3240

qP3A=2000 Вт/м2 -1-

4320

—\ 5400 т с

Рисунок 2, б. Зависимость координаты раздела фаз от времени при плавлении вещества (вещество - парафин), (ер5)об =2-103 Дж/(м2-К); R =0,03 м

Расчеты, произведенные при следующих исходных данных: наполнители - парафин, элаидиновая кислота, азотнокислый никель, температура окружающей среды Тср=293 К, коэффициент теплообмена с окружающей средой аср=10 Вт/Км , произведение

14

0

0

теплоемкости плотности и толщины оболочки емкости {ерд)об =2,5-103 Дж/(м2-К), толщина слоя наполнителя^, коэффициенты теплообмена между оболочкой прибора и системами воздушного аств и жидкостного с^(тж теплоотвода, приведены на

соответствующих графиках.

Расчетные зависимости определяют, что температура оболочки и длительность плавления рабочего вещества зависят от величины тепловой нагрузки на охлаждающее устройство (значение удельной теплоты рассеяния элемента РЭА дРзл), типа рабочего вещества, а также условий теплообмена с окружающей средой.

г с

Рисунок 3, а. Зависимость температуры оболочки от времени при плавлении различных тепловых аккумуляторов без конвекции в жидкой фазе, ^=0,03 м,

qРЭЛ=3500 Вт/м2 1 - азотнокислый никель, 2 - парафин, 3 - элаидиновая кислота

г с

Рисунок 3, б. Зависимость координаты раздела фаз от времени при плавлении

различных тепловых аккумуляторов без конвекции в жидкой фазе, ^=0,03

м, qРЭЛ=3500 Вт/м2 1 - азотнокислый никель, 2 - парафин, 3 - элаидиновая кислота

В случае отсутствия конвективных потоков в жидкой фазе процесс теплообмена является нестационарным процессом теплопроводности и температура оболочки устройства все время возрастает. Скорость ее роста зависит от подводимой к ней теплоты

(величины qРэл), толщины слоя и теплопроводности вещества.

Согласно графикам, изображенным на рис.2, увеличение значения qРэл значительно повышает температуру оболочки и элемента РЭА, а также скорость плавления вещества (например, после 1,5 часа работы элемента РЭА при изменении его мощности рассеяния с 2000 до 4000 Вт/м2 температура оболочки повышается с 320 до 372 К, а скорость плавления увеличивается с 1,48-10-6м/с до 5,5-10-6м/с). Повышение температуры оболочки устройства связано, в том числе, с увеличением теплового сопротивления жидкой фазы рабочего вещества, которое растет с увеличением расплавленного слоя. Это подтверждает необходимость принятия мер по уменьшению слоя жидкой фазы вещества между элементом РЭА и границей раздела фаз.

Также на температуру элемента РЭА в процессе его функционирования будет оказывать влияние подбор соответствующего рабочего наполнителя. Были произведены расчеты для случая использования в этом качестве азотнокислого никеля, парафина и элаидиновой кислоты (рис.3). Как показали результаты исследований, для данных условий лучшие результаты получены при использовании в качестве наполнителя азотнокислого никеля. Согласно зависимостям, изображенным на рис.3, а, для случая применения в качестве рабочего вещества азотнокислого никеля температура оболочки устройства наиболее стабильная, а скорость плавления наименьшая. Это связано, прежде всего, с его более высокой теплопроводностью, которая почти в 2 раза больше, чем у парафина и в 3 раза больше, чем у элаидиновой кислоты. Таким образом, снижения скорости роста температуры (т. е. ее стабилизации) можно достичь за счет увеличения эффективной теплопроводности вещества. Одним из методов увеличения эффективной теплопроводности вещества является применение различных наполнителей. Так, например, могут быть использованы металлическая крошка, различного рода оребрение, сотовые конструкции либо пористые структуры.

Результаты теоретических исследований при охлаждении и затвердевании теплового аккумулятора приведены на рис.4-7.

На рис.4-5 показаны зависимости изменения температуры оболочки емкости с рабочим веществом со стороны контакта с системой теплоотвода и границы раздела фаз при затвердевании наполнителя для различных величин удельной мощности системы теплоотвода qсm, а также для условий, когда процесс охлаждения и затвердевания вещества осуществляется за счет естественного теплообмена с окружающей средой. Как следует из графиков, время остывания рабочего вещества и оболочки устройства при использовании дополнительного теплосъема значительно меньше их времени остывания

при естественном теплообмене с окружающей средой (для парафина это отношение при

2 2 жидкостном теплосъеме с qсmж=3150 Вт/м , что соответствует <хстж =61 Вт/К-м и аср=1,5

Вт/м -К составило 4 раза, для дополнительного воздушного теплосъема при qсmв=980 2 2

Вт/м и асте =8,6 Вт/К-м - 1,7 раза). Отсюда следует, что существующие ограничения в

отношении времени цикла работы элемента РЭА и времени перерыва между его включениями при использовании дополнительной теплоотводящей системы снижаются. Таким образом, если в случае естественного теплообмена оболочки охлаждающего устройства с окружающей средой период работы элемента РЭА должен был бы быть значительно меньше «паузы», то при использовании дополнительного теплосъема время между двумя последовательными циклами работы РЭА может быть в значительной мере уменьшено. При этом быстрее всего процесс охлаждения и затвердевания вещества при одинаковой системе теплоотвода проходит при применении в качестве наполнителя парафина и азотнокислого никеля. Первого - за счет наименьшей температуры и теплоты плавления, второго - за счет более высокого коэффициента теплопроводности.

Рисунок 4, а. Зависимость температуры оболочки от времени при затвердевании

вещества (вещество - парафин), Я=0,035 м

2 2

1 - система теплоотвода воздушная при qсmв=980 Вт/м и аств =8,6 Вт/Км ,

2 2

2 - система теплоотвода воздушная при qсmв=1640 Вт/м и аств =14,2 Вт/К-м ,

2 2

3 - система теплоотвода жидкостная при qсmж=3150 Вт/м и астж =61 Вт/К-м

4, м

Ъ с

Рисунок 4, б. Зависимостькоординаты раздела фаз от времени при затвердевании

вещества (вещество - парафин), R=0,035 м

2 2

1 - система теплоотвода воздушная при qсmв=980 Вт/м и астж =8,6 Вт/К-м ,

2 2

2 - система теплоотвода воздушная при qсmв=1640 Вт/м и астж=14,2 Вт/К-м ,

3 - система теплоотвода жидкостная при qсmж=3150 Вт/м2и астж =31 Вт/К-м2

Рисунок 5, а. Зависимость координаты раздела фаз от времени при затвердевании вещества (вещество - парафин) за счет естественного теплообмена с окружающей

средой, ^=0,035 м, аср=1,5 Вт/м -К

т, с

Рисунок 5, б. Зависимость координаты раздела фаз от времени при затвердевании вещества (вещество - парафин) за счет естественного теплообмена с окружающей средой, (срд)об =2,5-103 Дж/(м2-К), R =0,035 м, аСр=1,5 Вт/м2-К

Г с

Рисунок 6, а. Зависимость температуры оболочки от времени при затвердевании

различных тепловых аккумуляторов за счет воздушной системы теплосъема без

2 2

конвекции в жидкой фазе, ^=0,035 м, qсmв=1700 Вт/м и аств =15 Вт/К-м 1 - парафин, 2 - элаидиновая кислота, 3 - азотнокислый никель

Г с

Рисунок 6, б. Зависимость координаты раздела фаз от времени при затвердевании

различных тепловых аккумуляторов за счет воздушной системы теплосъема без

2 2

конвекции в жидкой фазе, ^=0,035 м, qсmв=1700 Вт/м и аств =15 Вт/К-м 1 - парафин, 2 - элаидиновая кислота, 3 - азотнокислый никель

г, с

Рисунок 7, а. Зависимость температуры оболочки от времени при затвердевании

различных тепловых аккумуляторов за счет жидкостной системы теплосъема без

2 2

конвекции в жидкой фазе, R=0,035 м, qсmж=3000 Вт/м и осотж, =58 Вт/К-м 1 - парафин, 2 - элаидиновая кислота, 3 - азотнокислый никель

г, с

Рисунок 7, б. Зависимость координаты раздела фаз от времени при затвердевании

различных тепловых аккумуляторов за счет жидкостной системы теплосъема без

2 2

конвекции в жидкой фазе, ^=0,035 м, ^стж=1500 Вт/м и <хстж =58 Вт/К-м 1 - парафин, 2 - элаидиновая кислота, 3 - азотнокислый никель

Библиографический список:

1. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов А.В. Прогнозирование теплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Схемотехника, 2004. - №2.

2. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Махмудова М.М., Евдулов Д.В. Исследование системы охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений // Известия вузов России. Радиоэлектроника, 2008. - №4.

3. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1976.