5. Программа курса, методические указания и вопросы для самопроверки

Методические указания к теме

5.1. Предмет, цель и содержание курса, его связь с другими областями знаний, главные тенденции и перспективы развития.

Усиление влияния тепловых режимов и устройств охлаждения на приборы в целом и его элементы в связи с дальнейшим решением проблемы микроминиатюризации. Краткий очерк о развитии учения о тепломассообмене. Методические и философские аспекты дисциплины. Постановка типовых задач тепло- и массообмена в приборостроении. Применение ПЭВ в расчетах тепловых режимов приборов.

Усиление влияния тепловых режимов и устройств охлаждения на конструкцию РЭС

в целом и её элементы в связи с дальнейшим решением проблемы микроминиатюризации аппаратуры

Источниками теплоты в РЭС являются различные электрические устройства и радиоэлементы. Потребляемая радиоэлементами электрическая энергия преобразуется в них в электромагнитную, механическую, тепловую и другие виды энергии, т.е. часть потребляемой энергии, превращается в полезные сигналы, а остальная часть в теплоту. Известно, что в блоках, собранных из крупных деталей (электрические лампы и трансформаторы), только 5-10 % потребляемой энергии превращается в энергию полезных сигналов, а остальная часть энергии в тепловую.

Одним из важнейших первичных факторов, влияющих на тепловой режим РЭС, является изменение температуры окружающей среды и внешние тепловые потоки, например солнечная радиация, - это так называемые первичные факторы. К вторичным факторам относятся: давление внутри корпуса РЭС, наличие невесомости, влажность, запылённость. Так, при повышении влажности окружающей среды, конкретно воздуха, используемого для охлаждения РЭС, часто приходится принимать специальные меры для уменьшения влажности или защиты от неё. Все РЭС, выпускаемые в России, объединены в радиоэлектронные комплексы. Радиоэлектронные комплексы в зависимости от условий эксплуатации можно разбить на 5 групп:

• наземные (стационарные);

• наземные передвижные;

• корабельные;

• самолётные;

• ракетно-космические.

1. Стационарные РЭС размещаются в зданиях и других стационарных помещениях. Режим работы длительный. Диапазон изменения температуры в помещениях невелик: от 5 до 50 °С. Давление воздуха нормальное. Запылённость используемого для охлаждения воздуха невелика. Обычно к габаритам, массе, употребляемой мощности не предъявляют жёстких требований.

2. Наземные передвижные РЭС размещаются в кузовах автомобилей, на железнодорожных платформах и т.д. Режим работы длительный. Давление воздуха близко к атмосферному. Влажность и запылённость могут быть большими. Диапазон изменения температуры окружающей среды от -60 до +60 °С. Габариты, масса и употребляемая мощность ограничены.

3. Корабельные РЭС могут располагаться в специальных закрытых отсеках или палубных надстройках. В первом случае условия близки к условиям стационарных РЭС. Во втором случае - к наземным передвижным РЭС. Режим работы длительный, запылённость низкая, влажность высокая.

4. Самолётные РЭС располагаются в герметичных или негерметичных отсеках, где обычно не присутствует обслуживающий персонал. Используются как длительный, так и кратковременный и периодический режимы работы. Внешние тепловые воздействия, как правило, длительные, в ограниченном диапазоне температур, благодаря централизованной системе кондиционирования. Давление воздуха и внешние тепловые воздействия могут резко изменяться. Влажность зависит от характера полёта. Габариты, масса и потребляемая мощность весьма ограничены.

5. Ракетно-космические РЭС размещаются в герметичных и негерметичных отсеках ракет и космических аппаратов. Различные условия передвижения в плотных слоях атмосферы, при полёте по околоземным орбитам и в дальнем космосе предъявляют жёсткие требования к системе обеспечения теплового режима: минимальная масса, габариты и потребляемая мощность. Вакуум и наличие невесомости ещё больше усложняют работу этих систем.

Радиодетали и электрорадиоматериалы обладают ограниченной теплостойкостью, т.е. могут нормально работать лишь в заданном диапазоне температур. Причина - в различных химических и физических процессах, которые при повышении или понижении температуры либо развиваются лавинообразно, либо приводят к усиленному старению материала. Для практической оценки пользуются понятием надёжности как свойства РЭС выполнять заданные функции при определённых условиях эксплуатации. Надежность зависит от многих факторов, в том числе от температуры и влажности. При проектировании РЭС необходимо учитывать комплексное воздействие факторов.

При определённом количестве поглощённой влаги свойства изоляционных материалов изменяются, что может явиться причиной отказов элементов РЭС. Для конденсаторов, например, критическая влажность составляет 30-60 %, для углеродистых резисторов 70-80 %, для полупроводниковых приборов 40 %.

Вопросы для самопроверки

1. Что является предметом изучения курса?

2. В чём заключается цель курса?

3. Кем впервые были заложены основы учения о тепломассообмене?

4. Как развивалось учение о тепломассообмене?

5. Что является первичным фактором, влияющим на тепловой режим РЭС?

6. Что относится к вторичным факторам?

7. Назовите группы радиоэлектронных комплексов? В чем их отличие?

8. Что характеризует тепловой режим РЭС?

9. На какой стадии следует выбирать способы охлаждения? Почему?

5.2. Основные понятия и законы переноса энергии и вещества.

Процессы тепломассообмена в природе. Общая характеристике тепломассообмена в приборах. Совместное влияние тепла и влаги на свойства диэлектриков, полупроводников и металлов. Тепло- и влагостойкость элементов приборов.

Температура является одним из наиболее активных факторов, влияющих на свойства вещества: электрические, магнитные, оптические, механические. Нетрудно видеть, что все характеристики элементов РЭС, а, следовательно, и всего вещества, определяются тепловым режимом.

Тепловой режим РЭС характеризуется пространственно-временным изменением температуры в аппарате. Различные типы РЭС обладают различной способностью противостоять воздействию высоких или низких температур.

Термостойкость - это способность материалов элементов РЭС кратковременно или длительно противостоять воздействию низких или высоких температур, а также резких изменений температур. Для обеспечения длительной, безотказной и надёжной работы РЭС оно должно работать в каких-либо оптимальных температурных условиях и в отсутствие резких перепадов температур, т.е. нормальном тепловом режиме.

Нормальный тепловой режим РЭС - это температурное состояние РЭС, заданное требованиями технического задания на конструкцию в целом и на отдельные её элементы, т.е. режим, заданный заказчиком. Температурный режим элемента всего РЭС обусловлен следующими основными факторами:

1. внутренним тепловыделением, так как практически любой из элементов схемы в рабочем состоянии выделяет тепло;

2. действием тепла или холода окружающей среды;

3. взаимным тепловым выделением элементов РЭС, которое зависит от конструкции и компоновки отдельных блоков и аппарата в целом;

4. эффективностью применяемых средств обеспечения теплового режима РЭС.

Рассмотрим влияние температуры на основные элементы РЭС.

Резисторы. 35-40 % резисторов выходит из строя в процессе эксплуатации за счёт перегорания проводящего слоя. Повышение температуры на 1 °С требует снижения электрической нагрузки на 1 % для обеспечения той же надёжности.

Конденсаторы. Снижение рабочей температуры с 70 до 60 °С увеличивает срок службы конденсатора в 2,8 раз.

Электронно-вакуумные приборы. Из-за перегревов электронной лампы происходит изменение всех её параметров. Повышение температуры баллона лампы на 70-100 °С по сравнению с номинальным увеличивает процент выхода из строя в 3-6 раз.

Полупроводниковые приборы. Они вообще очень чувствительны к изменениям температуры (в большей степени германиевые, в меньшей степени кремниевые).

Всё это указывает на необходимость определения пути обеспечения температурной стабильности и теплостойкости РЭС. В настоящее время накоплен опыт в направлениях:

1. Применение термостабильных и теплостойких элементов. Недостаток: дороговизна и сложность создания таких элементов. Существенным недостатком является то, что характеристики основных параметров этих элементов при нормальных условиях эксплуатации хуже обычных элементов.

2. Использование температурно-компенсированных схем. Однако и здесь есть свои недостатки, т.к. усложнение схемы ведёт к снижению её надёжности.

3. Рациональная компоновка и конструирование РЭС.

4. Обеспечение постоянства параметров окружающей среды, как для отдельных элементов, так и для всего аппарата в целом. Применяются специальные схемы охлаждения, или термостатирования. В том случае, когда такая система позволяет поддерживать на определённом уровне температуру и влажность окружающей РЭС среды, говорят о кондиционировании.

Нетрудно видеть, что вопросы обеспечения температурной стабильности и нормального теплового режима РЭС должны решаться на стадии поиска схемных решений и продолжаться в течение всего цикла проектирования. Ещё быстрее уменьшается надёжность РЭС и возрастает число отказов элементов в случае совместного действия влаги и температуры. Нестабильность, вызванная совместным действием температуры, влаги, старения, равна 95-98 % от общей нестабильности.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется термостойкостью?

2. Что такое нормальный тепловой режим РЭС?

3. Назовите факторы, обуславливающие тепловой режим РЭС?

4. Какие вы знаете направления определения пути обеспечения температурной стабильности теплостойкости РЭС?

5. Что называется гигроскопичностью?

6. Какие еще влажностные характеристики вы знаете?

7. Какие связи воды с твердым материалом вы знаете?

Что такое абсолютная влажность? Что такое относительная влажность?

5. 3. Теплопроводность (кондуктивный перенос тепла).

Понятие теплопроводности. Закон Фурье. Тепловые коэффициенты. Тепловые сопротивления. Метод электротепловых аналогий.

Самостоятельное изучение.

Если в твёрдом теле, неподвижной жидкости или газе температура в различных точках не одинакова, то тепловая энергия самостоятельно переносится от участка с высокой температурой к участку с более низкой температурой, такой перенос называется теплопроводностью. Внутренний механизм передачи теплопроводности объясняется на основе молекулярно-кинетической теории. Перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между частицами, из которых состоит данное тело. Процесс теплопроводности неразрывно связан с распространением температуры внутри тела.

Температурное поле - это совокупность значений температур всех точек тела в данный момент времени. В общем случае t= f(x, у, z, т) температурное поле называется установившимся, если температура не изменяется во времени, и нестационарным, если температура изменяется. Поле называется одно-, двух-, трёхмерным в зависимости от того, функцией скольких координат является температура. Наиболее простой вид имеет функция t= f(x).

В теле всегда имеется совокупность точек с одинаковой температурой (рис.5).

gradT=lim

Рис. 5

Геометрическое место точек с одинаковой температурой образует изотермическую поверхность, они не пересекаются друг с другом, они замыкаются на себя или кончаются на границах тела. Следовательно, изменение температур в теле наблюдается лишь в направлении пересечения изотермической поверхности. Наибольшее изменение температуры происходит при переходе от изотермы к изотерме по нормали. Предел отношения температур к расстоянию между изотермами по нормали называется градиентом температур.

t [К/м]. (5)

Температурный градиент является вектором, который имеет положительный знак, если он направлен от изоповерхности с меньшей температурой к изоповерхности с большей температурой. Количество тепла, переносимого через какую-либо изотермическую поверхность называется тепловым потоком Ф [Вт]. В ряде случаев используется плотность теплового потока (удельный тепловой поток) q, которая характеризуется величиной теплового потока, отнесённого к единице площади поверхности, через которую переносится тепло.

q = Ф/S [Вт/мI]- (6)

Удельный тепловой поток.