L#7

Тепловые режимы конструкций cи

Источниками тепла в РЭА являются различные устройства и отдельные детали электрическая энергия потребляемая радиодеталями преобразуется в них в различные виды энергии эл.маг., механическую, тепловую, часть преобразованной энергии выходит за их пределы и за пределы устройств в виде энергии полезных сигналов, а вся остальная энергия преобразуется в тепло. Элементы и механические части конструкций РЭА могут нормально функционировать в ограни-ченном температурном режиме. Т.е. обладают ограниченной теплостойкостью. Теплостойкость это способность материалов и элементов кратковременно или длительно выдерживать воздейст-вия высоких и низких температур, а также резких изменений температуры (термоударов).

Термостойкость определяют по началу существенных изменений свойств элементов и материа-лов или параметров обусловленных различными физико-химическими процессами. Величину термостойкости оценивают диапазоном температур на границах которого допускают указанные изменения. Например, кремниевые транзисторы от 0 до 150 С. Резисторы МЛТ от 0 до 190 С. Совокупность температур всех элементов, из которых состоит аппаратура. Т.е. тепловое поле электрического аппарата характеризует тепловой режим устройства Все элементы из которых собрано устройство должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим отдель-ного элемента считается нормальным, если выполняются 2 условия: 1) температура элемента в условиях эксплуатации заключена в пределах ограничивающих диапазон температур допустимых для данного элемента. 2) температура элемента такова, что будет обеспечена его работа с задан-ной надежностью. Существенное влияние на процесс теплообмена оказывает конструкция их корпусов. Всевозможные конструкции корпусов можно определить на герметичные, вентилируе-мые, и снабженные специальным теплообменником. Герметичные – это корпуса собственно герметичные, герметизированные, а также в пыле- и влаго- защитном исполнении. Общим приз-наком таких корпусов является практически полное отсутствие воздухообмена м/у окружающей средой и внутренним объемом корпуса. Вентилируемые корпуса это корпуса, снабженные раз-личными устройствами обеспечивающие естественный или принудительный воздухообмен м/у м/у окружающей средой и внутренним объемом корпуса. Корпуса с теплообменниками подраз-деляются на: жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные. Одним из основных в теории тепловых режимов является понятие о нагретой зоне аппарата. Нагретой зоной аппарата называют часть объема аппарата занятого шасси или платами и смонтирован-ными на них элементами РЭА аппарат состоит из нескольких блоков каждый из которых содер-жит шасси или платы с радиодеталями существенно отличающихся по форме, размерам, ориента-цией в пространстве способностью охлаждения и тепловой нагрузке могут рассматриваться как несколько самостоятельных нагретых зон. Деление аппаратов на однозоновые и многозоновые при исследовании их тепловых режимов определяются необходимостью учитывать тепловое влияние отдельных зон друг на друга. Простейшим РЭА содержащим 1 зону является бытовые радиоприемники, телевизоры и т.д., в которых большинство элементов собрано на одном шасси.

Характер процессов теплообмена в РЭА в сильной степени зависит от устройства нагретой зоны аппарата. Всевозможные нагретые зоны аппарата можно отнести к 3-м группам: 1) Зоны со сравнительно крупными элементами (трансформаторы …) крепящиеся на металлическом шасси. 2) Ко второй группе нагретые зоны в которых микроэлементы с ИМС и узлы крепятся к печатным платам. Количество печатных плат в таких зонах может быть достаточно большим. 3) В которых отсутствуют явно выраженные платы и шасси и элементы крепятся в объеме корпуса хаотично. Если нагретая зона РЭА содержит шасси или платы то условия теплообмена существенно зависят от их ориентации: вертикально, горизонтально.

Характер теплообмена в нагретых зонах в сильной степени зависит от плотности компоновки элементов. При достаточно плотной компоновке конвекция в зазорах нагретой зоны развиваться не может. В этом случае под основными механизмами теплообмена внутри нагретой зоны стано-вятся кондукция и излучение. По способу и типу теплообмена все РЭА можно разделить на клас-сы при этом учитывая следующие особенности: 1) Количество и конструктивные особенности нагретых зон. 2) Способ охлаждения нагретых зон. 3) Способ охлаждения корпуса аппарата.

В процессе разработки конструкций радиоэлектронной аппаратуры, постоянно возникает задача расчета и анализа тепловыделения, на основании которого производится выбор конструк-тивных решений при проектировании систем. В современных условиях многие предприятия не в состоянии содержать специальные подразделения для проведения таких расчетов и выполнять их приходиться разработчику, не имеющему специальной глубокой подготовки в области теплопе-редачи. Существенную помощь в анализе тепловых процессов печатной платы может оказать специализированное программное обеспечение, позволяющее провести необходимые расчеты и доступное для работы пользователю, не имеющему специальной подготовки.

В весьма редких случаях устройства имеют высокий КПД как, например, до 60% в мощных усилителях. В подавляющем большинстве устройств обработки сигналов и информации тепловая мощность, выделяемая в отдельных узлах, равна мощности, потребляемой этими устройствами по цепям питания. Поэтому актуальной становится проблема отвода избыточного тепла.

Рассмотрим работу блока, в котором имеются тепловыделяющие элементы. Отвод тепла от этих элементов к внешней поверхности кожуха может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Для электронных устройств, особенно бортовых, отвод тепла за счет теплопроводности является основным механизмом. Это обусловлено тем, что излучение эффективно при высоких температурах нагретой зоны - более 100-150^оС, а таких температур при нормальной работе изделияо не наблюдается. Конвективный перенос внутри блока затруднен из-за малого сечения каналов.

Отвод тепла от кожуха блока во внешнюю среду осуществляется теми же механизмами. За счет естественной конвекции в условиях, когда давление среды не ниже 0,5 нормального, от блока можно отвести не менее 90% выделяемой в нём тепловой мощности. При этом по­верхностная плотность тепловыделения не должна превышать 0,02 Вт/см2.

Если тепловыделение превышает указанный уровень, то необходимо переходить на принудительное охлаждение: воздушную вентиляцию, жидкостное или испарительное охлаждение блока. Из-за плотной упаковки элементов в блоках удельное тепловыделение может достигать 15-20 Вт/дм³, что приводит к необходимости разрабатывать конструктивные решения, направленные на обеспечение приемлемого теплового режима. Среди них можно отметить следующие: тепловыделяющие элементы желательно располагать ближе к кожуху или непосредственно на его стенках; в качестве конструкционных материалов необходимо выбирать такие, которые обладают высокой теплопроводностью; для ослабления переноса тепла от нагретой зоны в сторону, противоположную кожуху или радиатору, необходимо использовать тепловую экранировку с применением материалов с низкой теплопроводностью.

Расчет тепловых режимов ЭУ базируется на принципе электротепловой аналогии. Этот принцип заключается в том, что перенос тепловой энергии в конструкциях рассматривается аналогично переносу электроэнергии в электрических цепях. При этом аналогом силы тока выступает мощность нагретой зоны P_нз; аналогом разности потенциалов - разность температур (или перегрев) ΔT нагретой зоны T_нз и температуры окружающей среды T_ср; аналогом электропроводности - тепловая проводимость δ. Использование такой аналогии позволяет составлять тепловые схемы и вести их расчет по основным правилам электротехники.

Обычно бывает задана тепловая мощность, выделяемая в блоке, указаны условия эксплуатации (T_ср) и известны конструктивные пара­метры блока. Оценка теплового режима блока состоит в поэтапном определении перегрева нагретых зон: ΔT = P_нз/ δ .

Изменяя конструктивные параметры теплопроводов и условия отвода тепла от внешних стенок блока, необходимо стремиться к предельному снижению величины перегрева ΔT. Задача состоит в том, чтобы при заданной конструкции блока температура нагретой зоны не превышала предельно­го значения (для данного конкретного элемента и конкретной схемы). Во всех случаях желательно так сконструировать и рассчитать систему теплоотвода, чтобы ΔT не превышала 5-10^оC.

Выбор способа охлаждения существенным образом влияет на конструкцию и размеры блока. Поэтому в самом начале разработки не­обходимо оценить возможные уровни тепловыделения в блоках на едини­у поверхности и единицу объема кожуха (табл.).

Таблица

Способы охлаждения блока в зависимости от удельной мощности

Способ охлаждения	Поверхностная плотность теплового потока, Вт/см2	Объемная плотность теплового потока, Вт/дм3
1.Конвективный теплообмен 2.Принудительная воздушная вен­тиляция 3.Жидкостное охлаждение 4.Испарительное охлаждение	0,02 0,2 20,0 200,0	7 15-20 50-100 150-200

Приведенные в табл. оценки характеризуют возможности различных способов охлаждения при условии перегрева не более чем на 20⁰С и могут служить ориентировочными при выборе охлаждения ЭУ.

При оценочных расчетах тепловых режимов можно ограничиться рассмотрением эффективности каждого из механизмов отвода тепла от нагретой зоны по отдельности. При этом в каждом из вариантов сос­тавляется тепловая схема, определяющая тепловые проводимости от­дельных участков и определяющая температуры изотермических поверх­ностей внутри конструкции. Далее результаты всех оценочных расчетов сравниваются с максимально допустимыми. Тепловые проводимости, обусловленные разными механизмами, рассматриваются как параллельные. Если температура внутренних изотерм не превышает предельную, расчет в первом приближении можно считать завершенным. Если необходимо снизить перегрев, то на основе проведенных расчетов легко найти термоизолирующие участки тепловых схем и изменить конструкцию охлаждаемого блока.

Тепловое сопротивление любого конструктивного элемента можно записать в виде

,

где l – длина элемента, S – площадь, r – удельное тепловое сопротивление (величина обратная теплопроводности).

Для наиболее распространенных конструкционных материалов в табл.5.18 приведены в порядке возрастания значения размеров.

 Конвективный теплоотвод от блоков ЭУ наиболее прост и доступен, когда конструкция находится в газовой среде с достаточно высоким давлением. Задача оценочного расчета состоит в том, чтобы для систем с принудительной воздушной вентиляцией при заданной величине перегрева определить необходимый расход воздуха и выбрать тип вен­тилятора.

Ориентировочный расход воздуха G (м3/час) в вентилируемом блоке в зависимости выделяемой тепловой мощности Pнз может быть опре­делен по эмпирической формуле G = 0,47P_нз, которая справедлива при средней температуре T_ср около 30^oC и перегреве не более 10^oC. На основании оценки производительности и исходя из аэродинамического сопротивления блока, производят выбор типа вентилятора.

При теплоотводе излучением перегрев поверхности излучения относительно окружающей среды можно определить по формуле: DT=P_нз/a_nS, где a_n – это приведенная степень черноты поверхнос­ти излучения, а S– некоторая функция, обычно заданная графически. 

Для проведения анализа тепловых режимов удобно использовать программное обеспечение фирмы Dynamic Soft Analysis, Inc. При расчете используется более 50 уравнений, позволяющих провести полноценное трехмерное моделирование явлений теплопередачи на плате. Точность моделирования при этом составляет 10 процентов по сравнению с натурными испытаниями.

При проведении моделирования используются численные методы, основанные на продвинутых методах конечных разностей с адаптивными сетками, которые генерируют адаптивные местные сетки для того, чтобы не допускать снижения точности на мелких деталях проекта, не попадающих в основную сетку платы. Преимущество расчета по конечно-элементной схеме — повышенное быстродействие анализа при высокой точности. Алгоритмы Betasoft позволяют достигнуть быстродействия приблизительно в 50 раз выше, чем традиционные конечно-элементные алгоритмы. Типичное время вычисления для платы 100 компонентов на 486-м персональном компьютере при тактовой частоте процессора 50 МГц — 30 секунд. Моделируются процессы теплообмена, теплопроводности, конвекции и излучения. Особое внимание уделено моделированию воздушной конвекции с учетом трехмерного расположения компонентов на плате.

Помимо программного обеспечения теплового анализа плат, фирмой Dynamic Soft Analysis, Inc разработаны специализированные программы, позволяющие рассчитать тепловые режимы корпусов интегральных микросхем и микросборок.

Программа BetaSoft-Board имеет специальный конвертер, обеспечивающий интерфейс с САПР печатных плат различных производителей.