8.1.3.2. 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.

8.1.3.3. 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 а б с о л ю т н о ч е р н ы м. 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.

2. Обеспечение нормального теплового режима РЭС.

Для обеспечения нормального теплового режима конструкции РЭС и его отдельных элементов возможно использование различных методов и вариантов их конструктивной реализации.

8.2.1. Конструктивная реализация способов охлаждения.

В зависимости от плотности компоновки РЭС, степени теплонагруженности ее элементов используют различные способы обеспечения заданных тепловых режимов.

Наиболее простыми являются конвективные системы. При е с т е с т в е н н о м воздушном охлаждении герметичных блоков РЭС из-за разной плотности горячего и холодного воздуха происходит его перемешивание.

Рис. 8.3. Перемешивание воздуха.

Эффективность естественной конвекции может быть увеличена за счет применения отверстий в кожухе, через которые более холодный воздух снаружи будет заходить в блок, а более нагретый - в окружающее пространство.

Рис. 8.4. Перемешивание воздуха.

Вентиляционные отверстия выполняются в различных вариантах:

А) Металлическая сетка	Б) Перфорация	В) Жалюзи	Г) Вентиляционные грибки

Рис. 8.5. Варианты перфорации.

П р и н у д и т е л ь н о е воздушное охлаждение используют для интенсификации теплообмена.

Рис. 8.6. Перемешивание воздуха вентилятором.

Рис. 8.7. Принудительная вентиляция приточного или вытяжного типа.

Ж и д к о с т н ы е и и с п а р и т е л ь н ы е системы более эффективны, т.к. у жидкости плотность и теплопроводность значительно больше воздуха.

Элементы установленные в жидкость отдают ей свою тепловую энергию при естественной конвекции или кипении. Жидкости должны быть инертны и нетоксичны: фреон, спирт, этиленгликоль с Т кипения примерно 25С.

Рис. 8.8. Внутреннее перемешивание с кипением.

Внутреннее перемешивание жидкости повышает эффект внутреннего теплообмена, а наличие теплообменников - внешнего.

Рис. 8.9. Внешнее перемешивание.

С помощью к о н д у к ц и и можно довольно простыми конструктивно-компоновочными решениями отвести тепло от греющихся элементов. В миниатюрных блоках это практически единственный способ охлаждения.

Рис. 8.10. Применение теплообменников или радиаторов.

Рис. 8.11. Применение теплостока в виде бронзовых плоских пружин

или металлического шнура

На эффективность теплоотдачи оказывает влияние шероховатость поверхности, контактное давление (самонарезающие винты), теплопроводность материалов (медь, алюминий), покрытия. Применение пластичных прокладок с большой теплопроводностью (свинцовые, медные, алюминиевые, бронзовые) снижает контактное тепловое сопротивление вдвое, заполнение воздушных прослоек теплопроводящей пастой - в 1,5 раза.

Среди жидкостных систем особое место занимают тепловые трубы, используемые для локального охлаждения.

Рис. 8.12. Тепловая трубка.

Трубка представляет собой металлический корпус 1, внутри которого пористый фитиль 2, заполненный жидкостью с низкой температурой кипения. При нагреве локального участка трубки жидкость, находящаяся в порах фитиля вблизи этого участка, нагревается тоже; при превышении температуры нагрева выше температуры кипения, жидкость испаряется и пар перемещается внутри к более холодному концу трубы. При охлаждении пар превращается в жидкость и по капиллярам фитиля двигается к нагретому концу трубки. Таким образом, тепло переносится от нагретого конца трубы к холодному.

Подобные трубки применяют для охлаждения больших гибридных ИС (БГИС) внутри РЭС (рис.8.13).

Рис. 8.13. БГИС с тепловой трубкой.

БГИС на поликоровой подложке 2, составленная из бескорпусных приборов на балочных выводах 1, размещается на алюминиевом основании 3, закрепленном на алюминиевой охлаждающей трубке 5 с циркулирующим хладоагентом. Охлаждающая трубка размещена на коммутационной плате 6, на которую же подходят выводы навесными проводниками 4 от БГИС.

Для улучшения теплоотвода от несущих конструкций применяют металлические печатные платы.

1 - алюминиевая плата;

2 - изоляционный слой;

3 - металлизированные отверстия;

4 - печатная схема

Рис. 8.14. Металлическая плата.

Повышение плотности компоновки приводит к тому, что естественное воздушное охлаждение становится неэффективным. Интенсификация охлаждения достигается увеличением теплоотводящей поверхности - созданием на ней ребер. Ребра выполняются как на кожухе и шасси, так и в виде самостоятельных конструктивных деталей, называемых радиаторами.

Теплоотводящие радиаторы различаются между собой формой ребер и мощностью теплового рассеяния. Наибольшее распространение в РЭС получили радиаторы с ребрами пластинчатой, ребристой, штырьковой, игольчатой форм и спиральной.

Рис. 8.15. Пластинчатые радиаторы.

П л а с т и н ч а т ы е радиаторы изготавливают из стали или алюминия толщиной от 2 до 6 мм. Из-за малой эффективности применяют для небольших мощностей.

Рис. 8.16. Ребристые радиаторы.

Р е б р и с т ы е радиаторы эффективнее пластинчатых. Изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов.

Рис. 8.17. Штырьковые радиаторы.

Ш т ы р ь к о в ы е радиаторы имеют более высокий коэффициент теплообмена, чем ребристые. Изготавливаются литьем под давлением.

Рис. 8.18. Игольчатые радиаторы.

И г о л ь ч а т ы е радиаторы эффективнее штырьковых, но сложнее в изготовлении и дороже.

Рис. 8.19.Спиральные радиаторы.

С п и р а л ь н ы е радиаторы при одинаковой с игольчатой площадью S имют в 2,5 раза меньший объем и в этом смысле - более эффективны.

Расчет радиаторов сводится к определению их геометрических размеров по заданной мощности теплового рассеивания, максимально допустимом нагреве охлаждаемого элемента и температуре окружающей среды.

Эффективность радиаторов находится в прямой зависимости от количества и размера ребер и их расположения. Минимальная толщина ребра определяется технологическими возможностями литья, а минимальный размер между стенками ребер рекомендуется не менее 4...6 мм для теплообмена. Для улучшения теплового контакта радиаторы устанавливают на алюминиевые, свинцовые, оловянные прокладки, а для электроизоляции - оксидируют контактную поверхность или ставят на прокладки из оксидированного алюминия. Для улучшения турбулентности воздуха ребра покрывают лакокрасочным покрытием.