7.1.3.2. Конвективный теплообмен

Процесс отбора тепла от нагретого тела происходит за счет передачи энергии соприкасающемуся с ним теплоносителю, например - воздуху окружающей среды. Нагретая масса теплоносителя заменяется холодной либо естественной циркуляцией, либо принудительно.

Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона

Р = _К (t_К - t_С) S_К,

где Р - мощность, передаваемая в виде тепла, Вт;

_К - коэффициент теплопередачи конвекцией, ;

S_К - площадь теплоотводящей поверхности, м²;

t_К, t_С - температуры нагретого тела и окружающей среды, К.

Качество естественного конвективного теплообмена зависит от мощности тепловыделения во время работы РЭС, формы и габаритов аппаратуры, площади теплоотдающей поверхности, которую искусственно увеличивают введением специальных ребер - радиаторов. Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий.

Естественный конвективный теплообмен наиболее прост и доступен. Единственное условие - наличие достаточных зазоров /не менее 4...5 мм/ для циркуляции воздуха. Чем больше зазоры, следовательно, и объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен.

Эффективность теплообмена зависит от места расположения элемента в РЭС. Так при вертикальном расположении субблоков воздушному потоку ничто не препятствует, и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении - замена воздуха затруднена. В худшем положении оказываются элементы, обращенные к дну и верхней части РЭС. Конвективный теплообмен ухудшается с уменьшением давления воздуха.

Увеличение значений коэффициента теплопередачи _К и уменьшение температуры t_С можно достичь используя принудительное охлаждение. Качество теплообмена в этом случае будет зависеть и от скорости замены теплоносителя, и от характеристик теплоносителя и его массы.

Общим правилом при компоновке РЭС для естественного и принудительного охлаждения является увеличение площади теплоотводящих поверхностей при ограничении аэро- и гидродинамическому сопротивлению потоку теплоносителя.

7.1.3.3. Излучение

Любое нагретое тело в той или иной степени излучает или поглощает тепло. Излучение тепловой энергии происходит в виде электромагнитных волн в диапазоне 0,3...10 мкм. Тепловое излучение может отражаться, поглощаться или пропускаться телами.

Практически все тепловое излучение, проникающее внутрь тонкого слоя твердых (1 мкм - проводники, до 1,3 мм - непроводники) и жидких тел, поглощается. Тело от нагретой поверхности которого происходит незначительной отражение тепловых лучей, называют абсолютно черным. Но это не значит, что оно должно быть черным по цвету. Шероховатая поверхность стальной детали, покрашенная белой эмалью поглощает 90% тепловых лучей и может считаться близкой к абсолютно черному телу, хотя и выглядит белой.

Величину излучаемой энергии определяют по закону Стефана-Больцмана.

Р_Л = ,

А если тело находится в какой-либо среде, то тепловой поток излучаемой энергии

Р_Л = ,

где Р_Л - лучистый тепловой поток, Вт;

С - коэффициент излучения тела, ;

Т - температура поверхности тела, К;

Т₁ - температура окружающей среды, К.

Величину  называют с т е п е н ь ч е р н о т ы. Она приводится в таблицах, причем шероховатые поверхности имеют большую величину , чем хорошо обработанные, (так для полированного алюминия  = 0,04, а для картона -0, 93). Для абсолютно черного тела С₀ = 5,67 ; для реальных тел .

Так как тепловой поток при излучении определяется разностью четвертых степеней температур, то эффективность теплопередачи излучением возрастает при больших разностях температур.

Отвод тепла излучением в РЭС связан с установкой теплопоглощающих и теплоотражающих экранов для защиты теплочувствительных элементов от перегрева. Теплопоглощающие экраны имеют матовую оксидированную поверхность или окрашиваются масляными и эмалевыми красками. Теплоотражающие экраны имеют глянцевую поверхность светлых тонов, зеркальную или полированную. Такие экраны позволяют не только снижать местные перегревы, но и выравнивать температурное поле внутри блока.

Теплоотвод излучением актуален в вакууме. Для современных РЭС конвективный теплообмен настолько эффективнее, что излучение не учитывается.