7 Тепловий режим конструкцій реа

7.1Загальні положення охолодження радіоелектронної апаратури

Більшість пристроїв радіоелектроніки використовують лише невелику кількість споживаної від джерел живлення енергії у вигляді корисної енергії сигналів, решта перетворюється у теплову і відається у навколишнє середовище. Загальний тепловий фон буде визначатися питомою потужністю і щільністю теплового потоку, що проходить крізь кожух пристрою.

Тепловий режим це є просторово-часове розподілення температури в РЕА. Під заданим температурним режимом розуміють такий режим, при якому температура кожного із елементів блоку дорівнює заданій або не виходить за межи допустимої.

За характером руху теплоносія системи охолодження діляться на системи примусового і природного охолодження пристроїв. Основна частка перенесення теплової енергії в цих системах відбувається за рахунок конвекції, а також за рахунок випромінення і теплопровідності.

В нормальних кліматичних умовах і природному охолодженні біля 70% відводиться за рахунок конвекції, приблизно 20% - за рахунок випромінення і 10 % за рахунок теплопровідності.

Покращити передачу тепла від теплонавантажених елементів до більш холодних деталей конструкції можливо за рахунок зниження теплових опорів. Малі теплові опори внутрішніх ділянок блока від корпуса до всіх елементів конструкції сприяють вирівнюванню температури всередині блока, що приводить до підвищення надійності (таблиця 7.1).

Таблиця 7.1 – Контактні теплові опори пар металів

Матеріали конструкцій	Тепловий опір,см2· К/Вт
Мідь - алюміній	0,08
Мідь - мідь	0,1
Мідь - латунь	0,18
Мідь сплав Д16Т	0,2
Сплав Д16Т - сплав Д16Т	0,25
Сталь - мідь	0,8
Сталь - сплав Д16Т	1,2
Сталь - сталь	2,5
Метал – фарба - метал	20

Контактні теплові опори можуть бути зменшені за рахунок: застосування матеріалів з більшою теплопровідністю, вибору більш пластичних матеріалів, зменшення шорсткості з’єднувальних поверхонь, застосування пластичних прокладок з великою теплопровідністю.

Для зниження теплового фону в конструкції при природному охолодженні необхідно виконати такі заходи:

- забезпечити обтікання холодним повітрям всіх елементів конструкції, особливо теплонавантажених;

- тепло навантажені елементи повинні розміщуватись ближче до стінок блока;

• теплочутливі елементи повинні захищатись від нагрітого повітря;

• всі теплонавантажені елементи повинні мати щільні контакти з несучими вузлами;

• тепловидільні блоки повинні розміщуватись у верхній частині конструкції пристрою.

7.2 Оцінювання теплового навантаження реа

Як критерій оцінки теплового режиму пристрою виберемо щільність струму в провідниках друкованої плати.

Для двосторонньої друкованої плати максимально допустимою вважається щільність струму 20 A/мм2. Мінімальний перетин провідника друкованої плати становить:

S = h·l_min

де h – товщина провідника друкованої плати,

l_min – мінімальна товщина,

Знайдемо I_max за формулою

I_max = p_max·S,

де p_max - максимальна щільність струму.

Далі визначимо розміри плати.

Визначаємо габаритні розміри плати за формулою:

S_плати = S_уст. ×q (q = 24), (2.74)

де S_уст. – сума встановлювальних площ усіх радіоелементів, що знаходяться на платі;

q – коефіцієнт запасу.

Вибираємо найближчі стандартні розміри плати.

Висота корпуса залежить від максимальної висоти радіокомпонентів, а також врахування товщини самої плати (1 мм) та методу паяння виводів елементів. Довжина виводів радіоелементів, що припаяні, становить 1,5-2 мм, вони встановлені над платою на висоті 1 мм.

Внутрішні розміри:

а) висота h_вн = h + h_зап;

б) довжина а_вн = а_пл + а_зап;

в) ширина b_вн = b_пл + b_зап.

де h_зап– висота запасу,

а_зап– довжина запасу,

b_зап– ширина запасу,

Зовнішні габарити (з урахуванням товщини корпуса):

а) висота h_зовн = h_вн + 2t_стінки ;

б) довжина а_зовн = а_вн + 2t_стінки;

в) ширина b_зовн = b_вн + 2t_стінки.

Внутрішній об’єм корпуса становитиме:

V^вн_корп = h_вн·а_вн ·b_вн.

Розрахунок теплового режиму пристрою.

Початкові дані досліджуваного пристрою:

– довжина L₁;

– ширина L₂;

– висота L₃;

– товщина стінок кожуха Δ;

• споживана від мережі потужність Р.

Розрахунок здійснюватимемо в такому порядку.

Задаємо температуру перегрівання кожуха Δt_К1. Тоді температура кожуха становитиме:

t_К1 = t_С + Δ t_К1.

Знаходимо середню температуру:

t_m = 0,5(t_С + t_К1).

Визначаємо коефіцієнти тепловіддачі α_К для всіх поверхонь кожуха, причому за визначальний розмір обираємо висоту пристрою L₃ (оскільки плата в нас орієнтована у горизонтальній площині):

, (2.77)

де - параметр, що враховує фізичні властивості навколишнього середовища і визначається за графіком;

;

,

Тоді коефіцієнти тепловіддачі для верхньої, нижньої і бокової поверхонь кожуха:

α_КВ = 1,3α_К ;

α_КН = 0,7α_К

α_КБ = α_К

Знаходимо значення коефіцієнта випромінення кожуха α_Л:

Конвективна складова теплової провідності:

σ_К = α_КВ·S_В + α_КН·S_Н + α_КБ·S_Б ,

де S_В, S_Н, S_Б – площіверхньої, нижньої і бокової поверхонь кожуха:

Промениста складова теплової провідності:

σ_Л = α_Л·ε· (S_В + S_Н + S_Б)

Сумарна теплова провідність:

σ_КОЖ = σ_К + σ_Л

Визначаємо теплову провідність від умовно нагрітої зони до кожуха:

σ_З = 22·(L₁ – 2Δ)·(L₂ – 2Δ) ·10^-3

Температура нагрітої зони:

t_з = t_С + Δt_К1(1+ )

Розсіювана у блоці при перегріванні Δt_К1 потужність:

Р₁ = σ_КОЖ(t_К1 – t_С)

Тепер задаємо нове значення перегрівання кожуха Δt_К2 і послідовно виконуємо ті ж самі операції для нового значення температури перегріву

Будуємо графік залежності температур кожуха та нагрітої зони від розсіюваної потужності.

Контрольні питання:

1. Як теплові процеси впливають на роботу схеми?

2. Що таке тепловий режим блоків?

3. Як поділяються системи охолодження за характером руху теплоносія?

4. Які матеріали слід використовувати при конструюванні з точки зору теплових процесів?

5. За рахунок чого може бути зменшений тепловий контактний опір?

6. З яких основних етапів складається розрахунок герметичних блоків при природній конвекції?

7. З яких основних етапів складається розрахунок блоків з перфорованими отворами?

8. Який метод розрахунку покладений для підвищення точності розрахунку теплових процесів?