2. Защита конструкций эс

2.1. Тепловой режим эс

Теплопередача, или теплообмен, – это учение о самопроизвольных процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между областями и отдельными элементами рассматриваемой среды.

Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Конвекция – это процесс переноса теплоты при перемещении объема жидкости или газа (текучих сред) в пространстве при наличии разности температур. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Он сопровождается теплопроводностью, так как при этом осу-ществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Тепловое излучение – это процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только разностью температур и оптическими свойствами излучающего тела (среды). При этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения.

Совокупность всех трех видов переноса теплоты называется сложным теплообменом.

Рассмотрим, какое место занимают работы по обеспечению тепловых режимов на различных стадиях конструирования ЭС.

Системы обеспечения теплового режима [7], [9]. Разработка ТЗ осуществляется для всего радиоэлектронного комплекса и отдельных его частей, в том числе и для СОТР (систем обеспечения теплового режима ЭС). Защита аппаратуры от тепловых воздействий осуществляется применением системы обеспечения тепловых режимов (СОТР). Система может либо под­водить тепло к аппаратуре (нагревать ее), либо отводить тепло, т. е. охлаждать ее. Поскольку нагрев аппаратуры происходит относительно просто с помощью нагревателей, основное внимание в дальнейшем будет уделено охлаждению ап­паратуры.

Основными исходными данными, которые в обязательном порядке содержатся в ТЗ и определяют тепловой режим ЭС и конструкцию СОТР, являются: электрические режимы работы ЭС и его элементов, условия эксплуатации, основные технические характеристики СОТР (потребляемая мощность, масса, объем, надежность), допустимые температуры элементов ЭС.

В техническом предложении рассматриваются различные схемы СОТР, удовлетворяющие основным техническим характеристикам и обеспечивающие допустимый тепловой режим при условиях использования ЭС, оговоренных в ТЗ. Технические характеристики СОТР и тепловой режим ЭС определяются по укрупненным показателям, так как на этой стадии не имеется достаточной информации о конструкции радиоэлектронного комплекса.

При эскизном проектировании для СОТР необходимо выбрать основные элементы и рассмотреть варианты их компоновки совместно с ЭС. На этой стадии могут быть изготовлены и испытаны макеты ЭС и СОТР для проверки принципиальных решений в части тепловых и гидравлических режимов.

На стадии технического проекта выполняются уточненные расчеты надежности РЭС и отдельных его узлов, тепловых и гидравлических режимов, электрических режимов; производится эстетическая проработка конструкции опытного образца; решаются вопросы взаимодействия обслуживающего персонала в процессе управления изделием; изготавливаются и испытываются экспериментальные образцы изделий.

Влияние теплового режима на эффективность и качество конструкций РЭС. Тепловые характеристики конструкции [5], [6], [7], [8], [9]. Тепловой режим характеризуется совокупностью температур всех элементов, из которых состоит РЭС, т. е. его температурным полем. Основными тенденциями эволюции современных ЭС в микроэлектронном исполнении являются увеличение их сложности и снижение габаритов, с одной стороны, и увеличение требований к стабильности параметров — с другой. Эти тенденции противоречивы, так как увеличение сложности и уменьшение габаритов приводят к увеличению напряженности теплового режима, а требование обеспечения стабильности параметров системы связано с необходимостью его облегчения.

Эффективность и качество конструкций ЭС в значительной степени зависят от их способности отводить теплоту. Так, удельная мощность на единицу объема и массы составляет для источников вторичного электропитания на дискретных элементах и печатных платах 20...30 Вт/дм³ и 25...30 Вт/кг соответственно, на микросборках в металлическом корпусе —100... 150 Вт/дм³ и 60...80 Вт/кг и на основе металлических подложек, охлаждаемых жидкостью, — 200...300 Вт/дм³ и 180...300 Вт/кг. Эти данные приведены без учета па­раметров системы охла­ждения, масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость, надежность которых могут быть со­измеримы с параметрами охлаждаемого источника питания [6].

В процессе производ­ства, хранения и эксплу­атации ЭС могут подвер-гаться воздейст­вию положительных и отрицательных температур, обуслов-ленных влиянием окружающей среды, объекта установки и тепловыделениями самих ЭС. В наземных условиях температура окружающей среды может меняться от -88 °С (станция «Мирный» в Антарктиде) до + 90 °С (нагрев темных поверхностей в странах с жарким и сухим климатом). Диапазон изменения температуры в ат­мосфере на высотах до 80 км (рис. 73) может достигать 100 °С. Для космоса этот диапазон еще шире: от -150 до + 300 °С, что является результатом прямого и отраженного от Земли излучения Солнца, собственного излучения Земли, космического излучения, экранирования от излучения планет и частей объекта установки ЭС.

Диапазоны изменения температуры внутри объектов, где установлены ЭС, достигают в отапливаемых помещениях + 5...+50 °С; на наземных подвижных объектах -60...+60 °С; на самолетах — -70...+150 °С и т. д. Кроме того, на объекте установки аппаратуры могут быть локальные источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным горючим, резервуары с охладителем для повышения чувствительности фотоприемников). Сами ЭС являются, как правило, источником теплоты. Если эта энергия не рассеивается в элементах конструкции или окружающем пространстве, то повышаются температура устрой­ства и интенсивность отказов (например, для блоков ЭС с воздушным охлаждением при изменении температуры от 40 до 70 °С интенсивность отказов увеличивается в 2...6 раз (рис. 74). Если температура в любой точке температурного поля РЭС не выходит за допустимые (с точки зрения надежности элементов) пределы, то тепловой режим называется нормальным.

Рис. 73. Изменение температуры Рис. 74. Изменение интенсивности

атмосферного воздуха в зависи- отказов от температурыT для ЭС

мости от высоты с воздушным охлаждением (заштри-

хована зона разброса параметров)

Тепловой режим характеризуется напряженностью и стацио­нарностью. Если плотность теплового потока не превышает 5 мВт/см² (перегрев поверхности аппаратуры относительно окружающей среды не более 0,5 °С), то режим считается нетеплонапряженным. В теплонапряженном режиме требуется обеспечение нормального теплового режима, например, за счет естественной конвекции.

Стационарный тепловой режим характеризуется неизмен­ностью темпе-ратурного поля во времени вследствие наступления термодинамического баланса между источниками и поглоти­телями тепловой энергии. Нестацио-нарный тепловой режим характеризуется зависимостью температурного поля от времени. Этот режим имеет место при быстром изменении подведенной к ЭС мощности Р (включении и выключении, разовых и повторно-кратковременных режимах работы), когда часть ее идет на нагрев конструкции (Рн), часть рассеивается в окружающем пространстве (Р_р) и часть идет на обеспечение полезных функций ЭС (Рп). Баланс энергии в этом случае описывается соотноше­нием Р=Р_п+Р_р+Р_н. Тепловой режим становится стацио-нарным, когда в результате установившегося термодинамического равно­весия между окружающей средой и изделием нагрев изделия прекращается (Р_н = 0) и соотношение для баланса энергии имеет вид Р = Р_п + Р_р.

Воздействия отрицательных и положительных температур могут снизить надежность устройства. Различают параметричес­кую надежность, харак-теризуемую постепенным отклонением выходных параметров от номинальных значений, и надежность, характеризуемую интенсивностью внезапных (катастрофических) отказов.

Причинами постепенных отказов, вызванных тепловыми воздействиями, являются: снижение изоляционных свойств матери­алов; увеличение токов утечки; снижение пробивного напряжения; изменения коэффициента усиления и нулевого тока коллектора транзистора; изменения параметров магнитных сердечников (сни­жение индуктивности насыщения при повышении температуры или пропадание магнитных свойств при достижении точки Кюри); изменение емкости конденсаторов, электрической прочности, потерь; изменение сопротивлений резисторов; увеличение теп­ловых шумов в резисторах и транзисторах и т. д. Все эти явления могут привести к искажению сигналов до уровня, при котором нормальное функционирование ЭС становится невоз­можным.

Внезапные отказы ЭС, вызванные изменением температуры, обуслов-лены: нарушением целостности элементов конструкции вследствие различия тепловых коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) ее материалов (обрыв проводников; растрескивание металлостеклянных спаев; отслаивание и растрес­кивание подложек; появление внутренних напряжений, приводящих к нарушению паяных, сварных и клеевых соединений, растрески­вание ком-паундов; заклинивание кинематических пар и т. д.); замерзанием влаги, приводящим к расширению микротрещин в подложках; отслаиванием печат-ных проводников; расслаиванием МПП; конденсацией влаги, создающей закорачивающие пере­мычки и условия для возникновения электрохимической коррозии; затвердеванием или размягчением резины, что снижает качество герметизирующих прокладок и элементов амортизации; измене­нием вязкости смазок; выделением газообразных составляющих из диэлектрических конст-рукционных материалов, что ведет к снижению электрической прочности и образованию агрессивных сред; старением припоев (перекристаллизация, образование пор) и т. д.

Электрорадиоэлементы и механические части ЭС харак­теризуются тер-мостойкостью, под которой понимается способ­ность материалов и ком-понентов кратковременно выдерживать воздействия высоких и низких темпе-ратур, а также резких изменений температуры (термоударов). Термостойкость опреде­ляют по температуре, соответствующей началу существенных изменений свойств или параметров компонентов, обусловленных различными физико-химическими процессами. Например, термо­стойкость p-n-переходов транзистора ограничена при высоких температурах собственной проводимостью кристалла полупровод­ника, а также явлением кумулятивного разогрева, приводящего к недопустимому возрастанию нулевого тока коллектора и пробою p-n-перехода. Считается, что допустимая температура для германиевого перехода составляет 85...110 °С, для кремни­евого 125...150 °С, для непропитанных волокнистых материалов (бумаги, картона, натурального шелка) +90 °С; для материалов из стекловолокна, пропитанного эпоксидными лаками, +133 °С. В тех случаях, когда конструкция не обеспечивает нормального теплового режима обычных элементов, могут быть использованы элементы, работающие в широком температурном диапазоне благодаря введе-нию устройств термокомпенсации. Это усложняет электрическую схему и конструкцию, ухудшает энергетические и массогабаритные параметры, стои-мость ЭС и не всегда обес­печивает требуемую надежность.

Все электрорадиоэлементы, независимо от степени интеграции, и электрорадиоматериалы обладают ограниченной теплостойкостью, т. е. могут нормально работать лишь в заданном диапазоне температур. Причина этого в различ­ных физических и химических процессах, которые при повышении (понижении) температуры либо развиваются лавинообразно, ли­бо приводят к усиленному старению материалов.

Микросхемы и ЭРЭ функционируют в строго ограниченных темпера­турных диапазонах. Отклонение температуры от указанных диапазонов мо­жет привести к необратимым структурным изменениям компонентов. По­вышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ус­коряет корро-зию конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной темпе-ратуре затвердевают и растрескиваются резиновые дета­ли, повышается хруп-кость материалов. Различия в коэффициентах линейно­го расширения материа-лов могут привести к разрушению залитых компаун­дами конструкций и, как следствие, нарушению электрических соединений, изменению характера поса-док, ослаблению креплений и т. п.

Температурное поле ЭС состоит из значений температур его элементов, а также температур в различных точках шасси, кожуха, воздуха внутри аппарата и т. п. Совокупность значений этих температур характеризует тепловой режим ЭС.

Различают внутренние и внешние тепловые воздействия на ЭС. Внутренние - в основное зависят от мощности, рассеиваемой элементами аппаратуры, внешние - от условий эксплуатации.

Электрический режим работы ЭС связан с изменениями внутренних тепловых воздействий во времени и пространстве. При исследовании теплового режима ЭС вся аппаратура, как правило, делится на отдельные блоки, узлы. Задание рассеиваемой мощности по отдельным конструктивным составляющим характеризует распределение внутренних полей в пространстве и необходимо для учета взаимного влияния узлов при определении температурного поля ЭС. Изменение рассеиваемой мощности во времени зависит от режима работы аппарата.

Для работы большинства ЭС характерны медленно изменяющиеся внешние тепловые воздействия, тепловой режим которых, например, может определяться температурой окружающей среды. Такие воздействия задаются в виде верхнего и нижнего предельных значений или вероятностного закона распределения температуры окружающей среды. Другими важными факторами являются: влажность и запыленность воздуха. Проблема запыленности воздуха связана с необходимостью установки на аппарате специальных фильтров. Обеспечение задачи фильтрации приводит к необходимости замены фильтров. Облегчение этой задачи можно достичь, например, применением ЭС с замкнутым контуром охлаждения, в котором окружающий воздух, предва-рительно тщательно очищенный, используется для подпитки.

Тепловые характеристики конструкций первого-третьего уровней были рассмотрены в данном пособии при рассмотрении модулей ЭС. Методики расчетов тепловых режимов будут изучаться на 5-м курсе в рамках дисциплины «Основы проектирования РЭС». В связи с изложенным в рамках изучаемой дисциплины следует рассмотреть наиболее общие тепловые характеристики конструкций ЭС.

Проблема отвода тепла в ЭС является одной из важнейших проблем конструирования и разработки радиоэлектронных прибо­ров. С появлением БИС с очень высокой плотностью размещения активных элементов на кристалле и с появлением плат, содер­жащих сотни ИС, вопросы обеспечения нормального теплового режима встали перед разработчиками электронной аппаратуры так остро, как никогда прежде. Дополнительные аспекты этой проблемы возникают при каждом новом скачке в области элект­рических характеристик приборов, например при повышении бы­стродействия логических ИС или при увеличении выходной мощ­ности аналоговых схем.

Модуль любого уровня ЭС представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Точное аналитическое описание температурных полей внутри модуля невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, тепло-физических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете тепло-вого режима модулей ЭС используют приближенные методы анализа и расче-та. Целью расчета является определение температур нагретых зон и среды вблизи поверхности элементов ЭС.

Разработчика ЭС интересует не тепловой режим вообще, а нормальный (или заданный) тепловой режим. Тепловой ре­жим отдельного элемента считается нормальным, если соблюда­ются два условия: температура элемента (или окружающей эле­мент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него, независимо от изменения окру­жающей аппаратуру среды; температура элемента должна быть такова, чтобы обеспечивалась его работа с заданной надежностью. Первое условие является обязательным для каждого элемента. Второе — специально оговаривается в ТЗ на аппаратуру. Тепловой режим всей аппаратуры считается нормальным, если обеспечивается нормальный тепловой режим всех его элементов без исключения.

При этом следует помнить, что изменение температуры от­носительно нормальной внутри ЭС на каждые 10 °С в любую сторону при воздушном способе охлаждения уменьшает срок службы аппаратуры приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, уве­личению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, за­тратам электрической энергии.

Задача обеспечения работоспособности при низких температурах решается нагревом в продолжении некоторого времени помещения с од­новременным включением аппаратуры для подогрева. При достижении внутри изделия нормальной температуры приступают к его эксплуата­ции. Далее из-за саморазогрева температура внутри изделия будет повы­шаться и может возникнуть необходимость в его охлаждении. Нагрев удобнее проводить электрическими нагревательными элементами, уста­навливаемыми для стационарной аппаратуры в помещении, а для транс­портируемой — встраиваемой в конструкцию. Температура контролиру­ется либо при помощи термодатчиков и информационных табло, размещаемых в ЭС в удобных для наблюдения местах, либо автоматически с выключением нагревателей после прогрева аппаратуры. При интенсивном нагреве холодного воздуха внутри прибора пары воды конденсируются на еще холодных поверхно­стях конструкции до тех пор, пока не осядет вся избыточная влага возду­ха. Дальнейший нагрев приведет к нагреванию конструкции и испарению влаги. Конденсация оказывается невозможной, если нагрев происходит медленно.

Естественное охлаждение используется в бытовой аппаратуре с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см². Метод охлаждения естественной конвекцией, являясь самым простым, требует повышенного внимания конструктора к вопросам рацио­нальной компоновки по критерию обеспечения нормального теплового ре­жима. При компоновке необходимо стремиться к равномерному распреде­лению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты — в нижней части, защищать тепловыми экранами.

Блестящий экран, разделяющий теплонагруженные и чувствительные к перегреву модули, снижает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры поверхности внутри аппаратуры тепло-нагруженные модули должны иметь высокую степень черноты. Для этого внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются масляны­ми черны-ми красками или лаками.

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. Перегрев аппаратуры с темной окраской кожуха, освещаемой солн­цем при незначительной циркуляции воздуха, может достигать 25...30 °С. Например, имеет место превышение температуры металлических поверхно­стей (в градусах Цельсия) в умеренном климате при отвесном падении солнеч­ных лучей: без покрытия — 24; окрашенных в белый цвет — 13; серый — 21; черный — 27.

При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования «ло­вушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха. Для вырав-нивания температуры в каналах, образуемых установленными рядами модулей, должны быть зазоры не менее 30 мм.

Различают конструкции с перфорированным и герметичным кожухами. В перфорированном кожухе предусматриваются вентиляционные отверстия круг-лой, квадратной, прямоугольной формы, жалюзи (рис. 75). Например, круглые отверстия имеют диаметр 4, 6, 8 или 10 мм, квадратные могут иметь размеры 4 x 4 мм, прямоугольные 3 х 25, 4 х 50 мм.

Рис. 75. Вентиляционные отверстия (а, б, в) и жалюзи (г) кожухов

Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при­бора должна составлять 20...30 % от живого сечения, под которым подра­зумевается свободная для прохода конвективных потоков воздуха площадь сечения прибора. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже и лучше, если они будут в дне, выходные отверстия предпочтительнее выполнять в крышке прибора.

Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по­токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор не менее 30 мм, получить который можно установкой прибора на амортизаторы опорные типа АО. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками. Вместо сеток в дне стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Зазоры по горизонтали между модулями при естественном воздушном ох­лаждении должны быть не менее 10 мм.

Циркуляция воздуха в приборах и стойках с герметичным кожухом является следствием разности плотностей воздуха, нагретого внутри ЭС, и более холодного воздуха у стенок кожуха. Перегрев будет уменьшаться с увеличением зазора между модулями. У дна прибора с герметичным кожу­хом движение воздуха практически отсутствует.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздуш­ным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия.

Принудительное воздушное охлаждение автономными вентилято­рами широко используется в аппаратуре с тепловыделением не более 0,5 Вт/см² и выполняется по схемам подачи охлажденного воздуха снизу вверх и сверху вниз. По первой схеме воздух забирается у пола, по второй — у потолка. Забор воздуха у пола, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности аппаратуры, охлаждение по схеме сверху вниз — к меньшей запыленности, но требует большего расхо­да воздуха, поскольку его температура с увеличением высоты забора растет.

Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. В приточной схеме вентилятор засасывает охлаждающий воз­дух внутрь изделия. В вытяжной нагретый воздух выталкивается из изделия. В приточно-вытяжной используются два вентилятора на входе и выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора по приточной схеме вентиляции происходит в благоприятных условиях при пониженной температуре в бо­лее плотной окружающей среде, что обеспечивает по сравнению с вытяжной вентиляцией большую производительность. Однако в приточной схеме на­гнетаемый воздух может частично уходить через неплотности в корпусе и охлаждение аппаратуры может оказаться недостаточным. Вытяжную схему вентиляции, свободную от указанного недостатка, можно рекомендовать к использованию в аппаратуре с большими аэродинамическими сопротивле­ниями. Приточно-вытяжная схема позволяет увеличить напор охлаждающе­го воздуха.

Конструктивно автономный осевой вентилятор представляет элек­тродвигатель с крыльчаткой. Вентиляторы устанавливаются либо непо­средственно в прибор, либо в специальные блоки, снабжаемые элементами коммутации и фиксации на корпусе блока или каркасе стойки. В блоках размещаются один или несколько вентиляторов; противопыльный фильтр; элементы сигнализации неисправного состояния, аварийного отключения. В зависимости от тепловой нагрузки аппаратуры в блок устанавливается разное число вентиляторов. Незанятые установочные места закрываются заглушками.

Удаляемый из аппаратуры теплый воздух поступает в помещение, из которого выбрасывается в атмосферу либо поступает на рециркуляцию в общую систему кондиционирования. Повышенная запыленность аппарату­ры, появление вибраций в результате работы вентиляторов, неравномер­ность распределения охлаждающего воздуха являются недостатками рас­смотренного способа охлаждения. Однако охлаждение автономными венти­ляторами реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

Напор и производительность вентилятора определяются точкой пере­сечения его характеристики с характеристикой аэродинамического сопро­тивления охлаждаемой аппаратуры (рис. 76).

Рис. 76. Выбор вентилятора: 1, 2 – характеристики вентиляторов; 3 – аэродинамическая характеристика охлаждаемой аппаратуры

Для выбора вентилятора необходимо знать его характеристики и аэ­родинамическое сопротивление охлаждаемой аппаратуры. Вентилятор дол­жен обеспечивать производительность V_в, равную или с учетом возможной утечки охлаждающего воздуха несколько большую расчетной величины расхода воздуха V_р. Если выбранный вентилятор не обеспечивает необходи­мый расход V_в1 и его производительность оказывается меньше расчетного значения V_р, требуемого для охлаждения ЭС, то аппаратура может перегреться и выйти из строя. На рис. 76 требуемую величину расхода воздуха V_р на ох­лаждение аппаратуры с некоторым запасом обеспечивает вентилятор 2 (V_в2 > V_р). Уста­новка более мощного и, следовательно, бо­лее громоздкого и тяжелого вентилятора часто нерациональна. Если требуемые па­раметры не обеспечи-ваются ни одним из имеющихся в наличии вентиляторов, то возможна уста-новка на совместную работу нескольких. Для повышения производи­тельности вентиляторы устанавливают параллельно, а для увеличения напора — последо-вательно.

При выборе вентилятора необходимо стремиться, чтобы напор и произ-водительность в рабочей точке соответствовали максимальному КПД. Иначе может наблюдаться неупорядоченное движение воздуха, когда нагретые пото-ки воздуха могут наблюдаться в холодной зоне и наоборот, а также вместо пря-мо­линейного движения воздушных потоков — завихрения и циркуляции.

Во избежание попадания в ЭC пыли охлаждающий воздух фильтруют. Материалом фильтров является резиновая крошка, минеральная вата, стек­ловолокно, фильтровальная ткань или картон. К фильтрам должен обеспе­чиваться легкий доступ для периодической их замены или чистки.

Для стационарных ЭC со значительными тепловыделениями можно ре­комендовать подачу охлаждающего воздуха от центрального кондиционера по системе воздуховодов, размещаемых в подпольном пространстве машин­ного зала, в стойки. Поскольку охлаждающий воздух подается непосредст­венно в стойки, то его можно охладить несколько ниже воздуха, подаваемо­го в машинный зал для охлаждения аппаратуры встроенными автономными вентиляторами и создания комфортных условий обслуживающему персона­лу. Это приведет к меньшему расходу переохлажденного воздуха, уменьше­нию запыленности аппаратуры. Регулировкой расхода воздуха и его пара­метров можно добиться быстрого ввода ЭС (например, больших ЭВМ) в нормальный тепловой ре­жим. Недостатками подобного подхода являются необходимость в разработке системы кондиционирования и воздуховодов, значительные сложности при перепланировке технических средств при установке нового оборудования.

Водо-воздушную систему охлаждения можно рекомендовать для из­делий с высокими плотностями компоновки элементов. Отвод теплоты от блоков 2 (рис. 77) осуществляется поступающим в стойку от центрального кондиционера или автономных вентиляторов воздухом и жидким хладаген­том, протекающим по трубкам к охладителям 1. Охладитель может быть выполнен в виде системы горизонтально ориентированных параллельно проходящих трубок, расположенных под каждым блоком, но можно совмес­тить охладитель и направляющие ячеек блоков в единой конструкции, что позволит получить два пути передачи теплоты: ячейка — воздух — жидкость и ячейка — охладитель — жидкость. По второму пути теплота от ячейки к охлади­телю передается кондукцией. Эту систему охлаждения можно применять в герметизируемых стойках. Для эффективного перемешивания воздуха и бы­строй передачи теплоты охлаждающей жидкости в стойку вводится венти­лятор.

Проточная система охлаждения (см. рис. 77, а) конструктивно про­ста, но требует большого расхода жидкого хладагента. Введение в систему теплообменника 3 (рис. 77, б), в котором происходит охлаждение жидко­сти, позволяет получить замкнутую систему охлаждения и снизить расход хладагента. В зависимости от особенностей объекта эксплуатации исполь­зуются теплообменники типа жидкость — воздух и жидкость — жидкость.

Рис. 77. Проточная (а) и одноконтурная замкнутая (б) водо-воздушные системы охлаждения: 1 - охладитель; 2 - охлаждаемый блок; 3 -теплообменник

Теплообменники жидкость — жидкость применяются на объектах, позволяющих расходовать на охлаждение аппаратуры большое количество жидкости приемлемой температуры. Изменяя расход жидкости через тепло­обменник, можно регулировать температуру воздуха в аппаратуре.

Удаление теплоты лучеиспусканием сравнимо с теп­лотой, удаляемой естественной конвекцией. Однако при высокой плотности компоновки аппаратуры, размещаемой внутри приборных корпусов, эффект удаления теплоты лучеиспусканием будет отсутствовать, так как модули будут нагревать друг друга.

Самым эффективным способом отвода тепла является кондукция (теплопроводность). Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыде­ляющих элементов в конструкции применяют тепловые разъемы, теплоотводящие шины, печатные платы на металлической основе и т. д.

Коэффициенты теплопроводности некоторых конструкционных матери-алов-металлов превышают коэффициенты теплопроводности жидкостей и газов в десятки – сотни раз.

Системы охлаждения ЭС [6], [7], [9]. Классификация систем охлаж-дения. Назовем системой охлажде­ния ЭС совокупность устройств и конст-руктивных элементов, при­меняемых для обеспечения нормального теплового и влажностного режимов ЭС. Системы охлаждения (СО) можно разделить на воздушные (рис. 78, а—д), жидкостные (рис. 78, е—з), испари­тельные (рис. 78, и, к), кондуктивные, радиационные, специаль­ные и комбинированные. Ниже рассмотрим более подробно схема­тически представленные на рис. 78 способы охлаждения.

Рис. 78. Классификация систем охлаждения

В воздушных СО в качестве теплоносителя используется воздух; при этом различают свободное воздушное охлаждение, внутреннее перемешивание воздуха в корпусе аппарата, свобод­ную и принудительную вентиляцию. На рис. 78, а схематически представлено свободное воздушное охлаждение, а на рис. 78, б показана свободная вентиляция. Последняя осуществляется вследствие разности плотностей воздуха, холодного снаружи и на­гретого внутри аппарата, при этом в корпусе аппарата имеются специальные вентиляционные отверстия. На рис. 78, в приведена возможная схема реализации внутреннего перемешивания воздуха в ЭС, а на рис. 78, г, д - принудительная вентиляция, которая может быть приточно-вытяжной, приточ-ной или вытяжной. Приточ­ная вентиляция осуществляется нагнетанием в корпус ЭС ох­лажденного и очищенного воздуха, вытяжная — вытягиванием из ЭС нагретого воздуха. В первом случае вентилятор работает в более холодном и, следовательно, более плотном воздухе и поэто­му эффективнее второго случая. В приточно-вытяжной вентиляции нагнетание холодного и вытяжка нагретого воздуха осуществляют­ся вентиляторами.

Системы естественного воздушного охлаждения надежны и экономич­ны, так как не требуют специального оборудования, создающего принудитель­ное движение воздуха. Однако их эффективность чрезвычайно низка, и поэтому они применяются только при невысоких удельных тепловых нагрузках на аппарат.

Естественная конвекция является основным средством охлаждения герме­тичных аппаратов. Герметизация узлов может вызываться следующими обсто­ятельствами: бескорпусной элементной базой аппаратуры; наличием элементов, не предназначенных для работы при низких барометрических давлениях; защи­той от возможных электрических пробоев при низких барометрических давле­ниях; необходимостью предохранения элементов от попадания пыли, влаги, ки­слот, зараженных частиц и т. п.

В тех случаях, когда герметичность конструкции не является обяза-тельным условием, целесообразно осуществлять перфорирование аппарата. Оптимальный коэффициент перфорации 0,2...0,25. При этом снижение перегрева элементов относительно окружающей аппарат среды достигает 20...30 % по сравнению с герметичной конструкцией.

Анализ современных ЭС показал, что более 90 % ее охлаждается си­стемами принудительного воздушного охлаждения. Это объясня­ется многими причинами, важнейшими из которых являются следующие: воз­растающая с каждым новым поколением ЭС удельная тепловая нагрузка аппаратуры с сохранением примерно на том же уровне теплоустойчивости элементной базы; наличие доступного и дешевого теплоносителя; относитель­ная простота конструкции нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с тем системы принудительного воздушного охлаждения имеют и ряд су­щественных недостатков таких, как наличие акустических шумов и вибрации, увеличение объема и массы, снижение надежности изделия и, конечно, уве­личение затрат мощности на охлаждение.

Основным типом принудительной воздушной системы охлаждения, приме­няемой в радиоаппаратуре, является замкнутая система.

Жидкостная и испарительная системы охлаж­дения. На рис. 78, е, ж, и изображены ЭС, внутренний объем корпуса которых заполнен жидкостью, омывающей поверхности плат, шасси, деталей и т. п. При этом теплообмен между этими элементами и жидкостью может происходить как в обычных усло­виях (свободная и вынужденная конвекция), так и при кипе­нии жидкости. Отвод теплоты от нагретой жидкости может быть осуществлен с помощью погруженного в жидкость змеевика с теп­лоносителем или теплообменников, установленных на корпусе ап­парата. На рис. 78, з, к схематически изображены системы жидкостного и испарительного охлаждения, в которых теплообмен между источниками теплоты Р и жидкостью происходит в условиях вынуж-денной конвекции в замкнутом контуре. Отвод теплоты от контура осущест-вляется с помощью теплообменника Т, а движение жидкости — с помощью нагнетателя Н. На рис. 78, ж схематически изображено принудительное охлаждение приборов, помещенных в жидкость.

Жидкостное охлаждение об­ладает по сравнению с воздушным следу-ющими преимуществами: способностью отвести от аппаратуры значительно больше мощности; снизить объемы и мас­сы устройств охлаждения и самих источников тепла; уменьшить уровень аку­стических шумов, создаваемых системой охлаждения; обеспечить более равно­мерное распределение темпе-ратуры в пределах одного аппарата; создать боль­шие запасы по охлаждению при пиковых нагрузках и переходных процес­сах и др.

Естественная жидкостная система охлаждения, в принципе, име­ет только две модификации: когда аппарат погружается в жидкость и когда жидкость заливается в герметичный аппарат. В первом случае резко снижает­ся наружное тепловое сопротивление между корпусом аппарата и окружающей средой, во втором — внутреннее тепловое сопротивление. В обоих случаях об­щее тепловое сопротивление между тепловыделяющими элементами и окружа­ющей средой уменьшается почти вдвое.

И тот, и другой варианты обладают одним существенным недостатком — значительным увеличением массы изделия. Кроме того, в случае наружного ох­лаждения аппарата создаются трудности с доступом к нему, к подводу элект­рических кабелей; возрастают требования к герметичности узлов, соедини-телей и других элементов. Система с внутренней заливкой аппарата во многом лише­на этих недостатков, но одновременно добавляется дополнительное требование — отсутствие какого-либо влияния охлаждающей жидкости на ЭРЭ, печатные платы, элементы коммутации и пр. Так что можно сказать, что естественное жидкостное охлаждение практического значения не имеет.

А вот принудительное жидкостное охлаждение применяется очень широко, и в первую очередь для обеспечения нормального теплового ре­жима мощных генераторных ламп. Концентрация мощности в таких лампах на­столько велика, что воздушное охлаждение или не может вообще обеспечить работоспособность лампы, или требует установки теплостоков в виде ради­аторов значительных размеров. Конструктивное исполнение таких систем раз­лично, но схема их работы примерно одинакова (рис. 79). Тепловыделяющая часть прибора заключена в рубашку, в которую насосом под давлением пода­ется охлаждающая жидкость. Для того чтобы обеспечить полный и равномер­ный контакт жидкости с тепловыделяющей поверхностью, внутри рубашки де­лается спиралевидная навивка. Нагретая в приборе жидкость поступает в ох­лаждающее устройство в виде жидкостно-воздушного теплообменника, охлаж­дается в нем и поступает обратно в насос. Для снижения размеров теплооб­менника он обдувается принудительным потоком воздуха от установленного рядом вентилятора. Охлаждающая жидкость применяется и для охлаждения аппаратуры, раз­мещаемой в унифицированных БНК третьего уровня.

Рис. 79. Схема принудительного жидкостного охлаждения мощных генераторных ламп: 1 - вентилятор; 2 - жидкостно-воздушный теплообменник; 3 - генераторная лампа; 4 – электронасос

Следует отметить, что такой способ охлаждения эффекти­вен только в том случае, если обеспечивается хороший тепловой контакт между источниками тепла и жидкостью. В противном случае тепловое сопротивление теплового контакта будет значительно больше тепловых сопротивлений осталь­ных участков цепочки передачи тепла «тепловыделяющий элемент — теплоотводящая жидкость» и преимущества применения жидкостного охлаждения будут сведены на нет.

В связи с тем, что создание теплового разъема с низким тепловым сопро­тивлением является задачей весьма сложной, принудительное жидкостное ох­лаждение чаще применяется в сочетании с принудительным воздушным. В та­кой системе охлаждение элементов производится потоком воздуха, который на своем пути охлаждается в жидкостно-воздушных теплообменниках.

Кондуктивное охлаждение. В кондуктивных системах охлаждения явление теплопроводности используется как основной механизм переноса тепловой энергии от источников к теплоприемникам, расположенным на периферии прибора.

Кондуктивное охлаждение наиболее часто применяется в блоках с высокой плотностью монтажа. Один из возможных вариантов та­кой конструкции представлен на рис. 80.

Радиационные и специальные системы охлаж­дения. В радиационных системах отвод теплоты осуществляется благодаря излучению. Обычно такие системы применяют в космиче­ских аппаратах или в вакуумированных прибо-рах.

К специальным системам охлаждения относят термоэлектриче­ские устройства, вихревые и тепловые трубы, расширительные газо­вые машины.

При кратковременном режиме работы ЭС используются раз­личного типа тепловые аккумуляторы — масса металлических кон­струкций (платы, радиа­торы, корпус и т. п.); час­ти конструкции, предна­значенные для других це­лей (корпус космического корабля, топливо в баках самолета). Иногда приме­няют предварительное захолаживание таких акку­муляторов с помощью на­земных охлаждающих уст­ройств. В некоторых слу­чаях для аккумуляции тепловой энергии приме­няются специальные ве­щества, поглощающие тепловую энергию в про­цессе фазовых превраще­ний или химических реак­ций.

Рис. 80. Блок книжной конструкции с кондуктивным охлаждением

Рис. 81. Воздухоиспарительная система охлаждения с эжектированием

В комбинированных системах охлаждения применяют­ся различные сочетания рассмотренных выше СО. Остановимся на некото­рых комби-нированных си­стемах охлаждения самолетной аппаратуры. При больших скоростях поле­та самолетов забортный воздух значительно нагре­вается, сам воздух разрежен и требует специальной подготовки для использования в качестве хладагента. Не останавливаясь на этом вопросе, рассмотрим комбинированную воздушно-испарительную систему охлаждения с проме-жуточным теплоносителем. На рис. 81 система ЭС 2 охлаждается воздухом, циркулирующим в замкну­том контейнере 1. Воздух приводится в движение вентилятором 9 и охлаждается в воздушно-жидкостном радиаторе 8. Промежуточный теплоноситель из испарителя 5 приводится в движение в контуре 6 с помощью помпы 7. Понижение давления в испарителе происходит за счет работы эжектора 3, через который протекает струя воздуха 4; при эжекции происходят понижение давления и снижение тем­пературы кипения жидкости.

По способу воздействия на объекты охлаждения системы охлаждения раз­деляются на системы прямого и косвенного воздействия. Прямое воздействие предусматривает непосредственный контакт теплоносителя с объектом охлаж­дения. При косвенном охлаждении между теплоносителем и объектом охлаж­дения существует какое-то дополнительное тепловое сопротивление в виде слоя воздуха, стенки корпуса и т. п. Одним из примеров косвенного охлаждения служит обдув воздухом наружных поверхностей герметичного блока. Очевид­но, что эффект от применения прямого охлаждения значительно превосходит эф­фект от косвенного.

По количеству объектов охлаждения системы охлаждения делятся на сис­темы общего и локального охлаждения. В случаях общего охлаждения при пра­вильном распределении теплоносителя охлаждаются все тепловыделяющие эле­менты. Это может происходить как при прямом, так и косвенном охлаждении.

В тех же случаях, когда среди всех тепловыделяющих элементов можно выде­лить только один или несколько, требующих специального допол-нительного ох­лаждения; неэкономично применять системы общего охлаж-дения, а следует подавать теплоноситель только к этим элементам, т. е. созда-вать систему ло­кального охлаждения, что ведет к уменьшению объема, массы и энергопотреб­ления средства охлаждения.

По конструктивному исполнению системы охлаждения разделяются на разом­кнутые и замкнутые. В разомкнутых системах теплоноситель, отняв тепло от его источников, выбрасывается в окружающую среду и в дальнейшем больше не используется. В замкнутых системах теплоноситель циркулирует по замкнутому циклу. Эти системы сложнее разомкнутых, так как требуют введения в них дополнительных устройств, обеспечивающих отбор тепла от теплоносителя, про­шедшего через аппарат, перед тем как снова подавать его к объектам охлаж­дения.

Системы жидкостного охлаждения в основном замкнутые, системы воздуш­ного охлаждения могут быть и разомкнутыми, но, учитывая возможное зара­жение окружающей среды, отрицательно влияющее на работоспособность аппа­ратуры и обслуживающего ее персонала, системы воздушного охлаждения чаще всего делаются тоже замкнутого типа.

Следует отметить, что во многих работах, посвященных тепловым режимам ЭС, приводятся конкретные цифры удельных тепловых нагрузок, т. е. отноше­ний рассеиваемой в аппаратуре мощности к объему (ватт на кубический метр) или теплоотдающей поверхности (ватт на квадратный метр) аппарата, якобы дающие возможность выбрать способ охлаждения. Это неверно. Помимо удельных тепловых нагрузок такое влияние на выбор способа охлаждения оказывает и допустимый перегрев элементов, т. е. разность температур элемента и окружа­ющей аппарат среды. Поскольку и заданная температура окружающей среды, и допустимые температуры элементов могут иметь значения в широком диапа­зоне, невозможно заранее задать даже приблизительно допустимый перегрев и, следовательно, дать рекомендации по способу охлаждения. Следствием неточ­ного критерия выбора способа охлаждения является вопрос «Какую мощность может рассеять аппарат?». Любой аппарат рассеивает всю выделяемую в нем мощность. Весь вопрос в том, какая при этом в нем будет температура.

Аналогичные рассуждения относятся и к отдельным ЭРЭ, в частности к ИС. Но в этом случае добавляются еще два фактора — способ установки микро­схем в ячейке и размер теплоотдающей поверхности корпуса ИС. В результате исследований было определено, что коэффициент теплоотдачи (т. е. эффектив­ность отдачи тепла) корпуса зависит от теплоотдающей поверхности, причем, чем меньше поверхность, тем больше коэффициент.

Выбор способа охлаждения. Способ охлаждения во многом определяет конструкцию ЭС, поэтому да­же на ранней стадии проектирования, т. е. на стадии технического предложения или эскизного проекта, необходимо выбрать систему охлаждения ЭС. Неудачное решение этой задачи может обнару­житься только на более поздних этапах конструирования (детальная­ проработка конструкции, испытание опытного образца и т. п.), что может свести на нет работу большого коллекти­ва, а сроки создания ЭС зна­чительно увеличатся.

На первых этапах проекти­рования в распоряжении кон­структора имеется техническое задание (ТЗ), в котором обычно содержится следующая весьма ограниченная информация:

- суммарная мощность Ф тепловыделения в блоке;

- диапазон возможного изменения температуры окружающей сре­ды tсmах, tсmin;

- пределы изменения давления окружающей среды pmax, pmin;

- время непрерывной работы прибора ;

- допустимые температуры элементов ti;

- коэффициент заполнения аппарата кз.

Требуется также задать горизонтальные (L1, L2) и вертикаль­ные (L₃) размеры корпуса ЭС. Эти исходные данные недостаточ­ны для детального анализа теплового режима ЭС, но их можно использовать для предварительной оценки и выбора системы ох­лаждения. Последний носит вероятностный характер, т. е. дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного по ТЗ теплового режима ЭС при выбранном способе охлаждения. По результатам обработки статистических данных для реальных кон­струкций, детальных тепловых расчетов и данных испытания маке­тов были построены графики (рис. 82), характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения [ ]. Эти графики построены для непрерывной работы ЭС и связыва­ют два основных показателя:. Первый показатель— перегрев относительно окружающей средыT_с корпу­са наименее теплостойкого элемента, для которого допустимая и приведенная в ТЗ температура Timin имеет минимальное значение.

Рис. 82. Области целесообразного применения различных способов охлаждения

Для свободного охлаждения tc= tcmax, а для принудительного охлаждения tc= tвх, т. е. соответствует температуре теплоносителя на входе в аппарат.

За основной показатель, определяющий области целесообразного приме-нения способа охлаждения, принимается величина плотности теплового потока q, проходящего через поверхность теплообмена S_П :

где Р - суммарная мощность, рассеиваемая с поверхности теплообмена; - коэффициент, учитывающий давление воздуха (при нормальном давлении=1);

S_П = 2[L₁L₂+(L₁+L₂)L₃K₃],

L₁, L₂, L₃ - горизонтальные и вертикальные размеры корпуса РЭС.

Вторым показателем является минимальный допустимый перегрев эле-ментов:

.

На рис. 82 области целесообразного применения различных способов охлаждения приведены в координатах ,lgq . Имеются два типа областей. Области, в которых можно рекомендовать применение определенного способа охлаждения, и области, в которых с примерно одинаковым успехом можно применять два или три способа охлаждения. Области первого типа не заштрихованы и относятся к следующим способам охлаждения: 1 - естественное воздушное; 3 - принудительное воздушное; 5 - принудительное жидкостное; 9 - принудительное испарительное. Области второго типа заштрихованы: 2 - возможно применение естественного и принудительного воздушного охлаждения; 4 - возможно применение принудительного воздушного и жидкостного; 6 - возможно применение принудительного жидкостного и естественного испарительного; 7 - возможно применение принудительного жидкостного, принудительного и естественного испари-тельного; 8 - возможно применение естественного и принудительного испари-тельного.

Верхние кривые, соответствующие >100^оС, обычно применяются для выбора способа охлаждения больших элементов. Нижние кривые применяются для выбора способа охлаждения блоков, аппаратов. Поэтому области целесо-образного применения различных способов воздушного охлаждения в верхней части графика не являются продолжением соответствующих кривых в нижней части. Для выбора способа охлаждения в случае, если показатели попадают в заштрихованные области, необходимо пользоваться дополнительными графи-ками.