1.1.4. Обеспечение эффективности воздушного охлаждения рэа конструктивными методами

Требования и реализуемые возможности температурной стабилизации неодинаковы для аппаратуры различных видов и назначения. Значительную часть РЭА составляет аппаратура настольного типа.

К такой аппаратуре относится большинство лабораторных измерительных приборов, вся бытовая радиоаппаратура и т. д. Она размещается в отдельных деревянных, пластмассовых и металлических упаковках (ящиках) и имеет ограничение по весу (1¸15 кг), габаритам и бесшумности системы охлаждения. В этом случае практически все виды принудительного охлаждения и кондиционирования исключены, а возможности естественного охлаждения ограничены. Однако и здесь можно в известной мере управлять процессом теплопередачи.

В частности, для измерительных радиоприборов французскими фирмами Рошар и др. предложен кожух (ящик) с верхней крышкой, наклоненной под углом 15° к горизонтальной плоскости. На субпанели, прикрепленной к передней панели, внизу расположены теплочувствительные элементы, а вверху - другая часть монтажа - полупроводниковые узлы, модули. Внизу вдоль основания передней стенки идет единственная щель для забора воздуха. Выходная щель расположена сзади под наклонной верхней крышкой. Другие вентиляционные отверстия в кожухе отсутствуют. При установке сборочных печатных плат в вертикальной плоскости такая конструкция обеспечивает равномерное обтекание теплочувствительных элементов схемы воздухом и относительно большую скорость воздушного потока при небольшой высоте прибора. Эффективность естественной вентиляции возрастает при увеличении высоты замкнутого вентилируемого объема. При этом следует стремиться к уменьшению аэродинамического сопротивления на пути потока воздуха. Для этого целесообразно кассеты и сборочные платы полупроводниковых модулей и ИС, а также радиаторы охлаждения транзисторов располагать в вертикальной плоскости. С этой точки зрения наиболее неудачны конструкции, в которых элементы смонтированы на сплошных горизонтальных шасси, расположенных друг над другом.

Если в состав комплекса аппаратуры входит более тысячи полупроводниковых каскадов, то она для удобства обслуживания разделяется на функциональные легкосъемные блоки, собранные в стойки и шкафы. (Исключением являются некоторые виды бортовой и специальной аппаратуры).

При известных условиях естественное охлаждение стоечной аппаратуры может быть более эффективным, чем охлаждение блоков в отдельной упаковке, благодаря возможности повысить скорость и давление охлаждающего воздуха. Поток должен быть организован четко снизу вверх, типа “сквозняка”. Не следует поэтому делать в кожухе стойки (шкафа) излишние вентиляционные отверстия по высоте. Входные отверстия достаточной площади должны быть расположены под первым блоком (снизу), а выходные отверстия - над верхним блоком. Иногда для этого на несколько сантиметров приподнимается верхняя крышка стойки. При этом, если стенки стойки (шкафа) специально не охлаждаются, между блоками должны отсутствовать перегородки, затрудняющие свободное течение воздуха. Блоки (кассеты) с большой удельной мощностью предпочтительно располагать выше блоков (кассет) меньшей мощности (рис. 3). Естественная вентиляция РЭА оказывается практически эффективной, если удельная мощность рассеивания тепла в объеме РЭА не превышает Р_т.уд.£2 мВт/см³.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема расположения блоков (кассет) внутри стойки (шка-фа) РЭА

  

Однако для аппаратуры, работающей вне стационарных помещений, естественная вентиляция стойки, в особенности верхних блоков, может оказаться недостаточной. Как известно, температура окружающего воздуха в некоторых пунктах нашей страны может превышать 40°С.

Для того чтобы температура воздуха внутри блоков не превышала хотя бы шестидесяти градусов, необходимы дополнительные меры. Эти меры, в порядке их эффективности, можно разбить на две категории:

а) ограничение верхнего предела средней температуры блоков на достаточном уровне путем обеспечения небольшой разницы (перепада) между температурами внешнего воздуха и воздуха внутри блоков;

б) стабилизация температуры в блоках на некотором уровне, практически не зависящем от температуры наружного воздуха [3, 7, 8].

Ограничение величины перепада в допустимых пределах достигается путем принудительного продува определенного объема воздуха.

Так, например, для ограничения среднего перегрева воздуха внутри типовой стойки (0,3´0,4´2 м³) уровнем 10° необходимо с помощью вентиляторов подавать в аппаратуру воздух из расчета 0,12 м³ в секунду на каждый ватт мощности, рассеиваемой внутри стойки [6].

Стабилизация абсолютного значения температуры вблизи определенного, достаточно низкого уровня, более эффективна с точки зрения повышения надежности аппаратуры, однако и более сложна по выполнению, хотя и перспективна.

Имеются два способа такой стабилизации: первый - стабилизация температуры конструкции стойки, ее внешних стенок, несущих швелеров, направляющих и т.д.; второй - стабилизация температуры охлаждающего воздуха.

Первый способ может быть реализован следующим: на боковые стенки стойки напаиваются (или навариваются) тонкостенные трубки, через которые протекает вода определенной температуры. При этом основная мощность от нагретых элементов отдается путем контактной теплопередачи на шасси блока и далее на стенки шкафа, охлаждаемые водой. Таким образом, температура элементов стабилизируется около базовой температуры, которой является сравнительно стабильная температура воды. Однако опыт построения конструкции по этому способу и специальные исследования стоек, охлаждаемые водой, выявили существенные недостатки этого метода охлаждения.

Величина теплового сопротивления контакта между шасси легкосъемного блока и охлаждаемыми деталями стойки (шкафа) зависит от стольких практически неуправляемых факторов (давление направляющих, параллельность, смазка и т.п.), что целесообразность применения такой системы теплоотвода возможна только в специальных случаях (например, при жестком креплении блоков к каркасу шкафа болтами).

Более перспективной является воздушно-жидкостная система водяных радиаторов, распределенных между блоками по высоте стойки, или радиаторов, расположенных в ее нижнем отсеке. Наряду со стабилизацией температуры охлаждающего воздуха на уровне 10¸15° С, независимо от внешней температуры, получается заметная экономия на устройстве и эксплуатации системы охлаждения. Охлажденная вода для системы радиаторов, вмонтированных в стойки, в случае малого объема аппаратуры (1-2 стойки) может быть взята из водопроводной сети. При этом может быть использован весьма экономический способ охлаждения воды, при котором вода циркулирует в трубах, заложенных в землю на глубину 1,5 ¸ 2 м. На такой глубине температура почвы практически одинакова во все времена года и мало отличается в различных регионах страны. В Москве и Ленинграде эта температура равна 8°С, в Ташкенте - 10°С. Так, например, один метр стандартной двухдюймовой трубы (ГОСТ-3262-62 “Трубы стальные водогазопроводные”) диаметром ~60 мм обеспечивает теплоотвод в землю тепловой мощности Р_т=800 Вт при разности температур охлаждаемой воды и охлаждающей почвы около 0,5°С: