ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЭТУ

Тепловой режим ЭТУ характеризуется совокупностью температур отдельных его точек — температурным полем. Температурный режим создается как внешним температурным воздействием окружающей среды, так и тепловой энергией, выделяемой радиоэлементами самой ЭТУ. В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным или нестационарным.

Неизменность температурного поля во времени характеризует стационарный режим. Зависимость температурного поля от времени характерна для нестационарного режима. Этот режим имеет место в тех случаях, когда собственная теплоемкость ЭТУ соизмерима с количеством теплоты, выделяемой при работе. Обычно нестационарный режим имеет место при одиночных и кратковременно повторяющихся тепловых нагрузках.

По характеру направленности теплового потока разделяют термоактивные и термопассивные элементы. Термоактивные элементы служат источниками тепловой энергии, а термопассивные – ее приемниками.

Микросхемы и радиоэлементы функционируют в ограниченных темпера­турных диапазонах. Отклонение температуры от указанных диапазонов мо­жет привести к необратимым изменениям компонентов. По­вышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ус­коряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной температуре затвердевают и растрескиваются резиновые дета­ли, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейно­го расширения материалов могут привести к разрушению залитых компаун­дами конструкций и, как следствие, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений и т. п.

Настоящее и будущее ЭТУ связано с использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании ЭТУ особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры.

Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называется нормальным.

Нормальный тепловой режим - это 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 ЭТУ является нормальной и рав­ной 20-25 °С. Изменение температуры относительно нормальной на каждые 10 °С в любую сторону уменьшает срок службы ЭТУ приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, затратам электрической энергии.

Работоспособность при низких температурах обеспечивается саморазогревом ЭТУ перед работой или, при необходимости, нагревом электрическими нагревательными элементами, уста­навливаемыми для стационарной ЭТУ в помещении (что должно быть оговорено в инструкции по эксплуатации), для транспортируемой - встроенными в конструкцию. При применении нагрева должно обеспечиваться автоматическое выключение нагревателей после прогрева аппаратуры. Следует избегать интенсивного прогрева, так как при этом пары воды внутри прибора конденсируются на поверхностях конструкции до тех пор, пока не осядет избыточная влага в воздухе. 

Охлаждение ЭТУ. Чаще конструктор решает задачу удаления избытка теплоты в результате саморазогрева ЭТУ. Как известно, передача теплоты от нагретого ЭТУ в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

Кондукция -  процесс переноса тепловой энергией между находящимися в соприкосновении телами или частями тел за счет теплопроводности тел.

Конвекция — перенос энергии макрочастицами газа или жидкости.

Перенос теплоты излучением происходит за счет превращения тепловой энергии в энергию излучения (лучистая энергия).

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает проблематичным точный расчет температурного поля. Поэтому на практике расчет проводится, как правило, для наиболее эффективного вида теплообмена, который принимается для данного блока, прибора, системы за основной. Для стационарного ЭТУ используются в основном способы охлаждения теплопроводностью, воздушное естественное и принудительное, а также принудительное воздушное с дополнительным охлаждением жидкостью в трубопроводах. При высоких требованиях к стабильности параметров схем применяют термостатирование узлов и блоков.

Способы охлаждения могут быть охарактеризованы коэффициентом теплоотдачи [Вт/(м²×°С)], значения которого для различных систем охлаждения приведены ниже.

Теплоотвод кондукцией. С увеличением плотности компоновки ЭТУ большая доля теплоты уда­ляется кондукцией, т.е. передачей тепловой энергии от нагретого элемента к элементу с меньшей температурой. Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыделяющих элементов в конструкции применяют тепловые разъемы, теплоотводящие шины, печатные платы на металлической основе и т. д. Количество теплоты Q_к (кал/с), передаваемое в статическом режиме кондукцией, определяется по выражению

Q_k = a_mDt S/l,                        (1)

где a_m — коэффициент теплопроводности, кал/(с·см·°С), S - площадь, через которую проходит тепловой поток, см², l - длина пути передачи теп­лоты, см, Dt - разность температур между охлаждаемой конструкцией и окружающей средой, °С. Пример расчета теплоотвода можно посмотреть в работе /2/.

Для увеличения эффективности теплообмена путем теплопроводности необходимо увеличивать площадь теплопроводящей поверхности, уменьшать путь передачи теплоты, использовать материалы с высокой теплопроводностью.

Теплоотвод конвекцией. Естественное и принудительное воздушное охлаждение наиболее просты и доступны. Теплота от нагретых корпусов радиоэлементов передается окружающей атмосфере за счет естественной конвекции. Эффективность естественного воздушного охлаждения тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса. Имеет также значение плотность окружающей среды, при уменьшении которой отвод теплоты от поверхности элементов уменьшается.

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздух, нагреваясь от выделяющих теплоту элементов и обладая вследствие этого меньшей плотностью, перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена зависит от места расположения элементов в объеме ЭТУ. Так, при вертикальном расположении модулей (плат) воздушному потоку ничего не препятствует и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей степени. В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит.

Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности, выделяемого ЭТУ во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности. Улучшение охлаждения можно получить искусственным увеличением площади поверхности корпуса, например введением специальных ребер — радиаторов.

Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпусов ЭТУ. В этом случае в приборы поступают извне холодные слои воздуха, которые вытесняют теплые слои через отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия следует предусматривать и в боковых стенках корпусов в виде жалюзи. Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при­бора должна составлять 20...30 % сечения конвективных потоков воздуха. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже. Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по­токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор 20-30 мм. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками.

Естественное охлаждение используется с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см². При этом 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 и защищать тепловыми экранами. Блестящий экран сокращает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры внутри ЭТУ теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты, внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются черными красками или лаками. При компоновке ЭТУ необходимо избегать образования «ловушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха.

При расчете теплового режима ЭТУ с естественным воздушным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия. Количество теплоты, удаляемой от поверхности S естественной конвекцией, Вт:

Q = 4.18·10^-4 h_c S Dt,

где S — площадь поверхности, см², Dt - перегрев, °С, h_c - коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из h_c = 0,52С(55Dt/l)^0.25, С - постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С = 0.56, для верхней горизонтальной плоскости С = 0.52, для нижней горизонтальной плоскости С = 0,26), l - длина пути теплового по­тока:

Необходимо защищать ЭТУ от прямого попадания солнечных лучей. При отвесном падении солнечных лучей на прибор имеет место превышение температуры металлических поверхностей (в градусах Цельсия): без покрытия - 24; окрашенных в белый цвет - 13; серый - 21; черный - 27.

Принудительное воздушное охлаждение При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод от внутренних полостей корпуса ЭТУ осуществляется движущимися потоками воздуха, объем и скорость движения которых определяются вентиляторами. Оно широко используется в ЭТУ с тепловыделением не более 0,5 Вт/см² и выполняется по схемам подачи воздуха снизу вверх и сверху вниз. Забор воздуха снизу, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности ЭТУ, охлаждение сверху вниз - к меньшей запыленности, но требует большего расхода воздуха.

Чем ниже температура охлаждающего воздуха и выше скорость его движения, тем эффективнее принудительное воздушное охлаждение. Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. 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, что обеспечивает большую производительность. Вытяжную схему вентиляции можно рекомендовать в ЭТУ с большими аэродинамическими сопротивлениями.

Вентиляторы устанавливаются либо непосредственно в прибор, либо в специальные блоки с креплением на корпусе прибора или каркасе стойки. В блоках обычно размещают вентиляторы, противопыльный фильтр, элементы сигнализации и аварийного отключения.

Появление шума и вибраций в результате работы вентиляторов являются недостатками принудительного охлаждения, однако реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

Количество теплоты Q ккал, получаемое воздухом массой m при уве­личении его температуры на величину Dt, равно:

Q = c m·Dt,

где с - удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг·°С).

Расход воздуха для охлаждения, м³/час:

V_p = 860 kP/сrDt,

где k - коэффициент (обычно 1,25), учитывающий утечку охлаждающего воздуха через неплотности в конструкции; Р - потребляемая мощность, кВт; р — плотность воздуха (при 0°С и нормальном атмосферном давлении r = 1,293кг/м³).

Мощность, рассеиваемая в виде теплоты, принимается равной потребляемой ЭТУ электрической мощности. При полном переходе электрической энергии в тепловую справедливо соотношение 1 кВт/ч = 860 ккал.

    Системы охлаждения с жидкими хладоагентами применяют только для достаточно больших измерительно-вычислительных систем.

Выбор способа охлаждения. При выборе способа охлаждения ЭТУ учитываются ее режим работы, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, объект установки, окружающая среда.

Режим работы ЭТУ характеризуется длительностями включенного и выключенного состояний и бывает длительным, кратковременным, кратковременно-повторным. Длительный режим свойственен стационарным ЭТУ, которая находится во включенном состоянии в продолжение многих часов и дней, кратковременный - бортовой, время непрерывной работы которой исчисляется несколькими часами.

При проектировании сложных ЭТУ с длительным временем включенного состояния, как правило, возникнет необходимость в разработке принудительной системы охлаждения (СО). Решение о разработке СО для ЭТУ кратковременно-повторного режима работы принимается лишь после ана­лиза режима работы ЭТУ. Переносные ЭТУ в силу малых рассеиваемых мощностей принудительной СО не снабжается.

Необходимость разработки СО выявляет тепловой анализ ЭТУ. Для этого по каждому модулю первого уровня составляется перечень тепловыделяющих компонентов, устанавливаются рассеиваемые мощности и максимально допустимые температуры. На основе этих данных выделяются критичные к перегреву компоненты, а также компонен­ты, устанавливаемые на теплоотводы. Далее рассчитываются удельные по­верхностные и объемные тепловые потоки модулей высших уровней. По значениям плотности теплового потока q_s и q_v в первом приближении выбирают систему охлаждения по допустимому перегреву в 40°С.