6. Методы и средства обеспечения нормальных тепловых режимов электронной аппаратуры (эа).

Надежное функционирование ЭА возможно лишь при нахождении температур ее элементов в относительно узком диапазоне температур. Для этого необходим отвод тепла, выделяющегося в ЭА, во внешнюю среду. От температуры зависят характеристики всех электронных компонентов: сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, коэффициент усиления операционных усилителей и др. Особенно сильно влияние температуры сказывается на работе аналоговых устройств, вызывая изменение выходного напряжения у стабилизаторов напряжения, частоты у генераторов и других параметров. У средств измерения изменение температуры вызывает появление дополнительной погрешности. В ряде случаев при повышении или понижении температуры в электронных устройствах может возникнуть самовозбуждение, неустойчивая работа и иные нарушения работоспособности. В нормальных условиях работоспособность устройства восстанавливается. Особенно неблагоприятно быстрое изменение температуры (тепловой удар), вызывающее эффекты, связанные с неравномерным прогревом электронной схемы устройства. Кроме того, при повышенной температуре значительно снижается надежность электронных компонентов.

Нормальное функционирование аппаратуры в заданном диапазоне температур обеспечивается схемотехническими и конструктивными методами. Схемотехнические методы обеспечивают снижение чувствительности схемы к изменению температуры, что достигается использованием прецизионных (т.е. точных) электрорадиоэлементов (ЭРЭ), которые помимо малого разброса параметров имеют и высокую температурную стабильность; применением схемотехнических решений, обеспечивающих снижение влияния температуры; использованием цифровых технологий.

Конструктивные методы заключаются в отводе во внешнюю среду теплоты, выделяющейся в электронных компонентах, и применении соответствующих конструкционных материалов.

Нормальным температурным режимом называется режим, который при изменении в определенных пределах внешних температурных воздействий обеспечивает изменение параметров и характеристик конструкции, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях на них. Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гарантированы, если температура среды внутри ЭА является нормальной и равной 20...25°С. Изменение температуры внутри ЭА на каждые 10°С в любую сторону уменьшает срок ее службы приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, затратам электрической энергии.

Способы теплопередачи в аппаратуре

Передача тепловой энергии от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется конвекцией, теплопроводностью и излучением.

Конвекция обусловлена движением жидкой или газообразной среды (например, воздуха), соприкасающейся с нагретым элементом конструкции устройства. Естественная конвекция осуществляется за счет разности плотностей холодной и нагретой среды. Нагретая среда имеет меньшую плотность и поднимается вверх, унося тепло. Благодаря этому происходит циркуляция среды вокруг нагретого элемента. Принудительная конвекция осуществляется, например, с помощью вентилятора или насоса.

Теплопроводность - это молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный разностью температур. Например, передача тепла от корпуса полупроводникового прибора к радиатору; от нагретого трансформатора к металлическому шасси, на котором он установлен; от корпуса блока к металлическому монтажному щиту.

Лучистый (радиационный) теплообмен. При теплообмене излучением энергия переносится электромагнитными волнами преимущественно в инфракрасном диапазоне. Этот вид теплообмена возможен в газах и вакууме, в жидкостях он практически отсутствует.

Для устранения радиационного нагрева защищаемого узла между ним и окружающими нагретыми телами устанавливается тепловой экран. С целью лучшего отражения тепловых лучей поверхность экрана должна быть светлой и блестящей. Материалом экрана может служить полированный алюминий.

Под способом охлаждения понимают, каким образом выделяющаяся внутри ЭА тепловая энергия отводится в окружающую среду. Способ охлаждения ЭА определяется сочетанием двух факторов: видом теплоносителя (воздух или жидкость) и способом его перемещения (естественный или принудительный). В испарительно-конденсационных системах охлаждения теплоноситель претерпевает обратимые фазовые превращения из жидкого состояния в газообразное и обратно. В соответствии с этим различают воздушное, жидкостное и испарительно-конденсационное охлаждение. Каждый из способов может быть реализован с естественным или принудительным движением теплоносителя.

Выбор способа охлаждения производится на начальном этапе конструирования и существенно влияет на компоновочную схему аппаратуры. В ЭА наиболее широко используется естественное воздушное охлаждение. Для повышения эффективности естественного воздушного охлаждения необходимо следующее.

1. Использование перфорированного корпуса с вентиляционными отверстиями. В перфорированном корпусе имеет место проточная вентиляция внутреннего объема: нагретый воздух выходит наружу, а на его место приходит холодный воздух из окружающего пространства. В закрытом корпусе процесс конвекции происходит в два этапа: передача тепла от элементов корпусу; передача тепла от корпуса в окружающую среду. Вследствие этого температура воздуха внутри корпуса и температуры элементов при прочих равных условиях для закрытого блока будут выше. Вентиляционные отверстия должны быть расположены таким образом, чтобы наружный воздух заходил в нижнюю часть корпуса, обтекал нагретые элементы и выходил через верхние отверстия. Ширина зазоров между нагретыми частями устройства должна быть не менее 5 мм.

2. Охлаждение блока в герметичном корпусе улучшается при активизации теплопередачи от нагретых элементов к корпусу за счет теплопроводности. Для этого тепловыделяющие элементы следует крепить непосредственно на стенках корпуса, имеющих ребристую поверхность.

3. Улучшить охлаждение ЭА в закрытых металлических корпусах позволяет установка между нагретыми элементами и корпусом устройства теплопроводящих губчатых прокладок. При этом теплоотвод происходит за счет теплопроводности через прокладку. Для улучшения теплоотвода, электрической изоляции, защиты от механических воздействий и окружающей среды свободное пространство внутри корпуса блока может быть заполнено теплопроводящим компаундом (не применяется для ремонтопригодной аппаратуры).

4. Применение печатных плат на металлическом основании. Основой таких ПП является лист алюминия либо меди толщиной около 1,6 мм, поверх которого наносят изолирующий слой и затем печатный рисунок. Корпуса тепловыделяющих компонентов прижимают непосредственно к металлической основе, для чего в этих местах в диэлектрическом слое делают окна, что позволяет отказаться от применения радиаторов на этих элементах. Конструкция платы должна обеспечивать ее надежный тепловой контакт с корпусом.

5. Для увеличения площади теплоотдачи на наружной, а для герметичного блока и на внутренней поверхности корпуса выполняются ребра

6. Для активизации лучистого теплообмена наружную и внутреннюю поверхности корпуса, а также поверхности нагретых тел выполняют темными и матовыми.

Увеличение отводимой тепловой мощности достигается при переходе к принудительному воздушному охлаждению. Наиболее эффективна проточная вентиляция внутреннего объема блока с помощью вентилятора или системы централизованного воздухоснабжения. Охлаждение герметичного блока можно улучшить путем перемешивания вентилятором воздуха внутри корпуса или с помощью наружного обдува блока. Наибольшее распространение получили осевые вентиляторы с объемным расходом воздуха порядка 0,25-10,0 м³/мин.

Жидкостное охлаждение эффективнее воздушного и может быть естественным и принудительным. Естественное охлаждение обеспечивается путем заполнения оболочки, в которой расположены охлаждаемые элементы, диэлектрической жидкостью, например, минеральным маслом. Передача тепла от нагретых элементов к корпусу происходит за счет конвективной циркуляции жидкости в замкнутом объеме.

При принудительном охлаждении рабочая жидкость, в качестве которой обычно используется вода, под давлением пропускается через трубопроводы-теплообменники охлаждаемого блока или элемента. Такие системы используются для охлаждения шкафов и стоек в герметизированной электронной аппаратуре.

В последние годы применяется водяное охлаждение силовых электронных модулей или полупроводниковых приборов в преобразовательной технике, процессоров высокопроизводительных компьютеров, плотность теплового потока в которых достигает сотен ватт на квадратный сантиметр площади корпуса. Наряду с тепловыми трубами применяют микроканальные жидкостные охладители, представляющие собой медное основание, в теле которого выполнена система каналов, через которые пропускается охлаждающая жидкость. Для охлаждения процессоров удобны накладные плоские охладители аналогичной конструкции, прижимаемые к корпусу компонента.

Автономные системы строятся по замкнутому принципу, в них рабочая жидкость циркулирует по кругу - от охлаждаемого объекта в радиатор, где она отдает тепло в окружающую среду, и потом обратно в теплообменник охлаждаемого объекта. Замкнутые системы принудительного жидкостного охлаждения отличаются сложностью и содержат насос, теплообменники, вентилятор, фильтры, клапаны и другие элементы. В простейших незамкнутых системах холодная вода может отбираться из водопровода. Недостатком незамкнутых систем является зависимость от давления и температуры воды в водопроводе. Жидкостные системы применяются для охлаждения двигателей внутреннего сгорания и в некоторых других областях техники, но в ЭА они не получили значительного распространения.

В испарительных системах охлаждения отбираемое тепло расходуется на испарение жидкости. Затем пар снова переводится в жидкое состояние, причем при этом происходит выделение тепла. Любая испарительная система имеет охлаждаемую часть и радиатор, рассеивающий выделяемое тепло. Пример испарительной системы с принудительной циркуляцией хладагента - бытовой компрессорный холодильник или кондиционер.

Радиаторы

Радиатор обеспечивает снижение температуры корпуса полупроводникового прибора (транзистора, диода, тиристора и т. д.) за счет увеличения площади поверхности теплообмена между этим элементом и окружающей средой. Для повышения эффективности радиаторы должны иметь большую площадь поверхности охлаждения при тех же габаритных размерах. Это достигается выполнением на радиаторе ребер, штырей (игл), проволочных петель и других конструктивных элементов.

В ЭА применяются радиаторы разнообразной формы. Наибольшее распространение получили ребристые радиаторы, которые изготавливают путем литья или фрезерования. Удобны для изготовления радиаторов готовые прессованные алюминиевые профили с различной формой поперечного сечения. В силовой электронной аппаратуре стенки корпуса блока часто выполняются в виде ребристых радиаторов.

Штыревой радиатор при естественной конвекции более эффективен при горизонтальном расположении штырей; при обдуве поток воздуха должен быть направлен в торец радиатора. Зависимость эффективности охлаждения от направления потока воздуха у штыревых радиаторов проявляется в меньшей степени, чем у ребристых.

Охлаждаемый прибор может устанавливаться как на плоской стороне радиатора, так и со стороны ребер (штырей). В последнем случае в зоне размещения прибора ребра (штыри) удаляют. Радиаторы, как правило, изготовляются из алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью и хорошими технологическими свойствами. Для интенсификации теплового излучения на поверхности радиатора обычно выполняется матовое покрытие со степенью черноты не ниже 0,85 путем оксидирования или окрашивания эмалями темного цвета.

Электрическая изоляция корпуса прибора от радиатора осуществляется с помощью диэлектрических прокладок (теплопроводящих подложек) из керамико-полимерного материала или листовой слюды. Диэлектрические прокладки могут поставляться в готовом виде под определенный корпус полупроводникового прибора или в виде листов. Иногда для посадочных мест применяются оксидные, лакокрасочные и другие диэлектрические покрытия. Для изоляции крепежных винтов предусматриваются диэлектрические втулки. Изоляционные прокладки увеличивают тепловое сопротивление контактного перехода корпус-радиатор.