Классификация систем охлаждения.

Системой охлаждения называется совокупность устройств и конструктивных элементов, используемых для уменьшения локальных и общих перегревов.

Системы охлаждения принято классифицировать по способу передачи тепла, виду теплоносителя и характеру контакта теплоносителя и источника тепла.

В зависимости от способа передачи тепла и вида теплоносителя системы охлаждения подразделяются на кондуктивные, воздушные, жидкостные, испарительные, комбинированные.

В зависимости от характера контакта теплоносителя и источника тепла различают системы охлаждения прямого и косвенного действия.

Кроме того, все системы охлаждения принято делить на системы общего и локального назначения, с замкнутым (теплоноситель циркулирует в системе охлаждения) и разомкнутым (теплоноситель выбрасывается из системы охлаждения) циклами.

Воздушные системы охлаждения, в свою очередь, подразделяются на системы естественного воздушного охлаждения, системы охлаждения с естественной вентиляцией и системы принудительного воздушного охлаждения.

Жидкостные и испарительные системы охлаждения также делятся на системы естественного жидкостного (испарительного) охлаждения и системы принудительного жидкостного (испарительного) охлаждения.

Особый класс представляют собой системы охлаждения, основанные на использовании эффекта Пельтье.

Эффективность систем охлаждения может быть оценена поверхностной плотностью теплового потока, уносимого теплоносителем из ЭС.

Для различных систем охлаждения плотность теплового потока характеризуется величинами, представленными в табл. 1.

Таблица 1

В воздушных СО в качестве теплоносителя используется воздух; при этом различают свободное воздушное охлаждение, внутреннее перемешивание воздуха в корпусе аппарата, свобод­ную и принудительную вентиляцию.

Рис.1 Классификация систем охлаждения

На рис. 1, а схематически представлено свободное воздушное охлаждение, а на рис. 1, 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. 1, в приведена возможная схема реализации внутреннего перемешивания воздуха в ЭС, а на рис. 1, г, д— принудительная вентиляция, которая может быть приточно-вытяжной, приточной 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.

Жидкостная и испарительная системы охлаж­дения. На рис. 1, е, ж, и, изображены ЭС, внутренний объем корпуса, который заполнен жидкостью, омывающей поверхность 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. 1, з, к схематически изображены системы жидкостного и испарительного охлаждения, в которых теплообмен между источниками теплоты Р и жидкостью происходит в условиях вынужденной конвекции в замкнутом контуре. Отвод теплоты от контура осуществляется с помощью теплообменника Т, а движение жидкости — с помощью нагнетателя Н. На рис. 1, ж схематически изображено принудительное охлаждение приборов, помещенных в жидкость.

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 ниже.

Выбор способа охлаждения на ранних стадиях разработки

Ввиду того, что способ (система) охлаждения в значительной мере определяет структуру конструкции ЭС, уже на ранних стадиях разработки важно правильно выбрать способ охлаждения. Выбранный способ охлаждения должен обеспечить нормальный тепловой режим конструкции ЭС.

Если в выборе способа охлаждения будет допущена ошибка, то труд большого коллектива разработчиков окажется напрасным, а сроки разработки конструкции и ее стоимость существенно возрастут. Поскольку на ранних стадиях разработчики располагают минимальной информацией о конструкции, то становится очевидной ответственность и одновременно сложность задачи выбора системы охлаждения.

Начальное представление о способе охлаждения можно составить по данным табл. 1. Однако при решении практических задач выбор системы охлаждения производится по графикам рис. 2, которые ограничивают области целесообразности применения того или иного способа охлаждения. Эти области построены по результатам обработки статистических данных о показателях тепловых режимов реальных конструкций ЭВС, расчетов показателей тепловых режимов по тепловым моделям и экспериментальных данных, полученных на макетах.

Исходными данными для выбора системы охлаждения служат:

тепловой поток Р,рассеиваемый конструкцией;

диапазоны возможного изменения температуры окружающей среды

t_{с min} . t_{с max} ;

Рис.2 Диаграмма выбора систем охлаждения

пределы изменения давления окружающей среды Н _тах... H_min; допустимые рабочие температуры элементов t_эi;

геометрические размеры корпуса конструкции L _х, L_y , L _z; коэффициент заполнения объема конструкции k₃ ;

время непрерывной работы конструкции τ .

Перечисленные исходные данные, за исключением коэффициента заполнения конструкции, обычно указываются в техническом задании на разработку и известны. Коэффициент заполнения может быть выбран на основе опыта конструирования подобных ЭС.

Поскольку графики рис. 2 справедливы лишь для стационарного режима, то необходимо знание времени непрерывной работы для определения режима.

Пределы изменения давления окружающей среды задают условия, при которых тепловой режим является наиболее тяжелым.

Основным показателем, определяющим области целесообразного применения способа охлаждения на рис. 2, служит плотность теплового потока

P_s = PK_н /S_к

где К_н— коэффициент, учитывающий давление окружающей среды; S_к = 2[L_x L+ (L_x + L_y ) L_z K_з] — площадь поверхности теплообмена.

Вторым показателем является допустимый перегрев в конструкции

∆t_доп = t _{э min}- t_c,

где t _{э min} — допустимая рабочая температура наименее теплостойкого радиоэлемента; t _с — температура окружающей среды.

Для естественного воздушного охлаждения t _c = t _{c max}, т.е. соответствует максимальной температуре окружающей среды, заданной в ТЗ. Для принудительного охлаждения t _с = t _вх, т.е. соответствует температуре воздуха (жидкости) на входе системы охлаждения.

Значения Р _s и Δ t являются координатами точки, попадающей в одну из областей на рис. 3, каждой из которых соответствует один или несколько способов охлаждения.

Незаштрихованные области на рис. 2 относятся к следующим способам охлаждения: 1 — естественное воздушное, 3— принудительное воздушное, 5 — принудительное жидкостное, 9 — принудительное испарительное.

Заштрихованные области допускают использование нескольких способов охлаждения: 2— естественное и принудительное воздушное, 4— принудительное воздушное и жидкостное, 6 — принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 — принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное, 8— естественное и принудительное испарительное.

Графики на рис. 2, соответствующие ∆t> 100°С, используются для выбора способа охлаждения больших элементов (трансформаторов, дросселей, транзисторов на радиаторах и т.п.), поскольку допустимые температуры их поверхностей относительно высоки. Нижняя часть диаграммы применяется для выбора способа охлаждения блоков и устройств ЭС.

Если показатели Р_s и ∆t для конкретной ЭС попадают в не заштрихованные области рис. 2, то способ охлаждения определяется однозначно.

Для заштрихованных областей, где возможно использование двух или трех различных способов охлаждения, задача выбора того или иного способа усложняется.