Конструктивные особенности РЭА с воздушным охлаждением

Воздушное охлаждение в настоящее время является основным способом обеспечения теплового режима РЭА. Это объясняется простотой конструкций, надежностью, удобством эксплуатации и ремонта РЭА с воздушным охлаждением. Анализ теплонагруженной РЭА, выпускаемой и разрабатываемой промышленностью, показывает, что более 97% всей аппаратуры имеет воздушное охлаждение, причем около 95% выпускается с принудительным воздушным охлаждением.

Конструкция РЭА представляет собой совокупность большого числа элементов и других деталей с разными физическими свойствами и формами, находящихся в определенной электрической, пространственной, механической, тепловой, магнитной и энергетической взаимосвязи. Эта совокупность обеспечивает выполнение заданных функций в определенных условиях использования, а также предусматривает возможность ее повторения в условиях производства.

Конструктивная схема РЭА и ее реализация зависят от многих факторов, главными из которых являются:

- функциональное назначение;

- типы элементов и способы их монтажа;

- условия использования;

- способ охлаждения.

Самостоятельную конструктивную единицу РЭА обычно называют блоком. Блок может состоять из самостоятельных узлов или субблоков и т.п. Несколько блоков объединяют в автономную конструктивную часть, которую называют стойкой, шкафом, контейнером. Шкаф и контейнер может состоять из нескольких стоек. Если на лицевую панель стойки шкафа выведены приборы и устройства контроля и управления, то иногда конструктивное исполнение меняют для удобства управления процессом и называют такой шкаф пультом. Вообще, деление РЭА на блоки, стойки, шкафы и т.д. чисто условное и применяется для обозначения похожих конструктивных единиц. Внутри стойки располагаются в определенном порядке блоки, которые можно легко вынуть из стоек для осмотра, ремонта или настройки. Блоки расположены на металлическом каркасе (раме), разделенном на ячейки. Каркас стойки помещается в кожух (шкаф), с помощью которого образуются каналы для охлаждения РЭА. В зависимости от способа охлаждения кожух может быть герметичным или негерметичным.

На рисунке 2.1 приведена конструктивная схема стойки естественного охлаждения с перфорированным кожухом.

Рис. 2.1 Стойка с перфорированным Рис. 2.2 Стойка с последовательным

Кожухом: 1-Нижние основание; продувом блоков

2,5 – жалюзи; 3 – кожух; 4 – блоки;

6 – верхнее основание.

Перфорационные отверстия выполнены в виде жалюзи на верхней и нижней частях боковых стенок кожуха. В нижней части кожуха иногда делается поддон, в который поступает холодный воздух и распределяется по рядам блоков.

В большинстве случаев стойки выполняются с принудительным воздушным охлаждением и продувом наружного воздуха или воздуха от специальной системы. Принудительное воздушное охлаждение стоек с внутренним перемешиванием или наружным обдувом применяется редко. В зависимости от способа подачи воздуха в блоки различают два типа конструкции стоек:

- стойки с последовательным продувом блоков - общий поток воздуха проходит последовательно ряд блоков; холодный воздух, поступая из первого блока в каждый следующий блок, все более нагревается, через все блоки проходит одинаковое количество воздуха, если не учитывать утечки;

- стойки с параллельным продувом блоков - воздух из общего канала параллельно распределяется между блоками, в каждый блок поступает холодный воздух; количество воздуха, продуваемого через блок, меньше, чем поступает в стойку.

При многорядном расположении блоков может применяться последовательно-параллельное или параллельно-последовательное охлаждение блоков.

Конструктивная схема стойка с принудительным воздушным охлаждением и последовательным продувом блоков показана на рисунке 2.2. Стойка состоит из несущего металлического каркаса (рамы) 2, нижнего и верхнего оснований 1, 4, выполненных в виде полых параллелепипедов, кожуха 5 и регулирующих решеток 3,6. Верхнее и нижнее основания служат воздуховодами. Принудительное движение воздуха по направлению, указанному стрелками осуществляется с помощью индивидуальных вентиляторов либо от централизованной системы. Индивидуальные вентиляторы (или вентилятор) могут устанавливаться в верхнем, нижнем либо обоих основаниях. При использовании централизованной системы стойка подключается к воздуховодам боковыми фланцами верхнего и нижнего основания. Регулирующие решетки 3, 6 служат для подбора аэродинамического сопротивления стойки путем изменения количества и размера отверстий (сменой решеток). Регулирование аэродинамического сопротивления стойки осуществляется однажды при наладке. Кожух должен быть снабжен уплотнительными прокладками, чтобы предотвратить утечку охлаждающего воздуха в помещение, в котором установлена стойка, или засасывание воз­духа из этого помещения. По этим же причинам желательно, чтобы разность давлений между внутренней полостью стойки и помещением была минимальной.

На рисунке 2.3 приведена другая разновидность конструкции стойки при двухрядном расположении блоков, т.е. при последовательно-параллельном продуве воздуха через блоки, распределение воздуха между двумя вертикальными рядами блоков осуществляется также регулирующими решетками. Конструктивные схемы стоек, приведенные на рисунке 2.2 и 2.3, обычно применяются для блоков с вертикальной ориентацией шасси.

Рис. 2.3 Стойка при последовательно параллельном продуве воздуха

Рис. 2.4 Стойка с последовательным продувом и горизонтальной ориентацией шасси: 0-воздухоотводы 1-рама; 2,6-направляющие козырьки; 3-кожух; 4-блоки; 5,7-верхние и нижнее основания

При горизонтальной ориентации шасси блоков и последовательном их продуве воздухом применяется стойка, приведенная на рисунке 2.4. Воздух от централизованной системы или индивидуального вентилятора поступает в нижнее основание стойки и благодаря наличию направляющих козырьков (2,6) последовательно проходит через блоки в горизонтальном направлении.

Конструкция стойки при параллельном продуве блоков приведена на рисунке 2.5. На рисунке 2.5(а) показана схема прохождения воздуха, на рисунке 2.5(б) – конструктивное решение.

Рис. 2.5 Стойка с параллельным обдувом

Стойка состоит из рамы 1, заключенной в кожух 5. Между боковыми стенками рамы и кожуха имеется зазор для прохождения потока воздуха. В центре стойки расположен воздуховод 6. По обе стороны от центрального воздуховода в специальных приемниках 3 рамы устанавливаются блоки 4 кассетной конструкции с вертикальной ориентацией шасси. Для равномерного распределения воздуха по высоте стойки, используются направляющие 7 и регулировочные решетки 2.

Приведенные на рисунках 2.1 - 2.5 конструктивные схемы стоек применяются на стационарных и наземных передвижных объектах, места контакта блоков, двери стоек и другие соединения уплотняются прокладками для устранения утечек или подсоса воздуха. В теплонапряженных стойках кожух обклеивается тепловой изоляцией. В некоторых конструкциях кожух покрывается противошумными покрытиями.

В самолетной и корабельной РЭА стойки часто состоят из набора блоков, установленных на общей раме. Каждый блок смонтирован в отдельном кожухе и охлаждается индивидуально. Пример конструктивной схемы такой стойки приведен на рисунке 2.6. Охлажденный воздух от центрального воздуховода 5 распределительными воздуховодами 4 подводится к блокам 2, установленным на общей раме 1. Горячий воздух через перфорированные отверстия 3 выбрасывается в окружающую среду. Подобные стойки обычно устанавливаются в герметичных отсеках самолета или в закрытых помещениях на кораблях.

В самолетной, корабельной и ракетно-космической РЭА часто блоки объединяют в единую конструкцию, называемую контейнером. В контейнере воздух из напорного воздуховода поступает в поддоны, откуда через отверстия распределяется между блоками. Горячий воздух поступает в воздуховод. Воздуховоды подключаются к воздушной магистрали. Кожух контейнера обычно выполняется герметичным. Жестких требований к герметичности не предъявляется, если такие конструкции контейнеров устанавливаются в герметичных отсеках самолетов.

Контейнеры для установки в негерметичных отсеках самолета охлаждаются наружным обдувом кожуха. Воздух от магистрали поступает через напорный воздуховод в полость двойного кожуха. Распределение воздуха в полости двойного кожуха осуществляется специальными направляющими. Горячий воздух через воздуховод возвращается в систему. Массивный кожух через прокладку стянут шпильками, чем достигается герметичность и механическая прочность контейнера. Для поддержания давления воздуха внутри контейнера осуществляется наддув его внутренней полости. Для этой цели внутренняя полость контейнера подсоединяется к воздушной линии носителя.

Существует несколько другая конструкция контейнера для установки в негерметичных отсеках самолета. Наружный кожух служит одновременно стенкой воздуховода. Блоки РЭА расположены в гофрированном внутреннем кожухе. Охлаждение контейнера осуществляется наружным обдувом кожуха воздухом от общей системы, внутренним перемешиванием воздуха внутри контейнера вентилятором. Внутренняя полость контейнера обычно подсоединяется к линии наддува.

Контейнер для космической РЭА расположен внутри носителя. Во внутренней полости контейнера расположена рама, на которой установлены блоки РЭА. Вентилятор направляет поток холодного воздуха на блоки РЭА. Горячий воздух отбирается из контейнера по двум воздуховодам. По воздуховоду через регулятор воздух поступает в радиационный теплообменник и охлаждается, по-другому — возвращается к вентилятору. Путем распределения количества воздуха между двумя воздуховодами осуществляется регулирование температуры смёси горячего и холодного воздуха на входе вентилятора, подаваемого на охлаждение РЭА.

Объединение нескольких стоек в единый комплекс РЭА часто называют шкафом. Наиболее часто шкафы применяются в стационарной РЭА. В шкафу стационарной РЭА, при принудительном воздушном охлаждении, воздуховоды присоединяются к централизованной системе. Воздух от системы поступает в напорный воздуховод, который служит распределительным коллектором. Распределение воздуха между стойками осуществляется с помощью регулировочных решеток каждой стойки. Для облегчения условий распределения воздуха между стойками часто применяют специальные конструкции распределительного коллектора. Для этой же цели сечение распределительного коллектора выполняется большим, чем у воздуховодов, так как при низкой скорости движения воздуха правильное распределение его между стойками значительно упрощается. Для уменьшения шума в аппаратном зале воздуховоды вместе с другим оборудованием для подачи воздуха обычно располагаются в нижнем этаже здания, а РЭА — в верхнем этаже. Для той же цели, а также для предотвращения передачи вибрации от воздуховодов к стойкам, удобства монтажа и ремонта воздуховоды соединяются со стойками мягкими вставками, которые изготавливаются из брезента или прорезиненной ткани.

Существует несколько другая конструктивная схема принудительного воздушного охлаждения шкафа стационарной РЭА. Распределительный коллектор напорного воздуховода состоит из двух половин, что позволяет уменьшить его сечение. Для распределения воздуха между стойками применяются жалюзи, привод которых выведен на лицевую или заднюю стенку стойки.

Возможны различные компоновки воздуховодов для шкафов РЭА. Выбор той или другой компоновки воздуховодов шкафа зависит от многих факторов, главными из которых являются следующие: удобство подключения воздуховодов к системе, мощность рассеяния и количество стоек в шкафу, конструкция шкафа.

Конструкции блоков РЭА зависят главным образом от условия их использования и конструкции стоек, в которых размещаются блоки. Блоки РЭА могут быть также оформлены и в виде отдельных конструктивных единиц.

По характеру элементов, монтируемых в блоках, последние разделяются на следующие группы: электронные, механические, электромеханические, блоки СВЧ и антенных трактов. Электронные блоки состоят из различных механических конструкций, на которых смонтированы дискретные и микроминиатюрные элементы, соединенные в специальные схемы для различного рода преобразований сигналов. Остальные блоки содержат редукторы, следящие системы, релейные блоки, волноводы и т.п. Блоки могут иметь собственный кожух либо монтироваться на раме стойки без кожуха.

В стационарной и наземной передвижной РЭА блоки обычно монтируются в стойке без индивидуальных кожухов; в самолетной, корабельной и ракетно-космической РЭА блоки обычно монтируются в собственном кожухе, хотя встречаются конструкции и без индивидуального кожуха. Конструкция стойки накладывает определенные ограничения на конструктивное оформление блоков: габариты блоков ограничены габаритами стойки, ориентация и конструкция шасси должны соответствовать конструкции воздушных каналов в стойке. Блоки без индивидуальных кожухов, устанавливаемые в стойке, могут иметь вертикальную или горизонтальную ориентацию шасси, а также навесной монтаж элементов. Более часто встречается конструкция с вертикальной ориентацией шасси, которая выполняется в виде набора вертикальных шасси, укрепленных на общей пластине либо раме. Отдельные блоки РЭА обычно выполняются в индивидуальных кожухах. В зависимости от условий использования и мощности рассеяния блока РЭА кожух может быть герметичным или негерметичным, иметь приспособления для принудительного воздушного охлаждения.

В блоке с вертикальными шасси кассетной конструкции, помещенными в открытый с двух сторон кожух, воздух продувается через открытые части. Блоки такой конструкции собираются в стойку. В зависимости от конструкции стойки блок ориентируется открытыми частями кожуха горизонтально или вертикально.

В блоке с вертикальными шасси на каждой шасси собран законченный функциональный узел — субблок. Блоки, в зависимости от функционального назначения, собираются из отдельных субблоков, электрические соединения между которыми выполняются с помощью специальных разъемов и навесного монтажа. Каждая плата-субблок легко выдвигается из блока по специальным направляющим. Функциональный узел-субблок представляет собой часть сложного изделия, выполняет одно или несколько простейших электрических преобразований и обладает конструктивной и технологической автономией. В основу проектирования блоков субблочной конструкции положен функционально-узловой метод, т.е. метод, предусматривающий деление принципиальной электрической схемы РЭА на отдельные функционально и конструктивно законченные унифицированные узлы, и сборку блока из этих узлов. Блок субблочной конструкции состоит из лицевой панели и задней панели, параллельно которым на специальных направляющих установлены платы-субблоки. В собранном виде блок имеет естественное воздушное охлаждение. При снятом нижнем основании или исполнении нижнего основания в виде решетки блок может иметь принудительное воздушное охлаждение. При установке блоков в стойке нижнее основание и верхняя крышка демонтируются и осуществляется сплошной продув блоков воздухом.

В блоке с откидными кассетами, каждая кассета состоит из нескольких вертикальных плат, собранных в пакет. Между платами предусмотрены зазоры для прохождения охлаждающего воздуха. Кассеты соединены между собой шарниром и могут поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Вся конструкция монтируется на нижнем основании и может быть закрыта кожухом. В верхней части кожуха и в основании имеются перфорированные отверстия для естественного воздушного охлаждения блока. При снятом кожухе блок может охлаждаться принудительным потоком воздуха.

В блоке книжной конструкции, каждый субблок-страница шарнирно соединен с основанием и позволяет вертикально раскрывать страницы. Субблок собран из плат, между которыми имеются зазоры для прохождения охлаждающего воздуха. В одном блоке может быть смонтировано несколько субблоков.

В блоке книжной конструкции с горизонтальным раскрытием и лицевой панелью, каждая секция состоит из двух плат. Секции в сборе образуют вертикальные каналы для воздуха, который проходит через отверстия в раме с задней панелью.

Описанные выше блоки, применяются главным образом в стационарной и наземной передвижной, а также в самолетной РЭА.

В блоке субблочной конструкции самолетной РЭА, субблоки выполнены в виде отдельных модулей, заключенных в индивидуальные кожухи. Субблоки смонтированы на горизонтальном поддоне, установленном на амортизаторах. В полость поддона подается воздух из системы через напорный воздуховод. Жалюзи в поддоне и верхних крышках кожухов служат для прохода охлаждающего воздуха. Конструкция блока унифицирована и позволяет собирать различные модули на шасси.

Другая конструкция блока самолетной РЭА с объемными субблоками. Субблоки собираются на трубе. Ребра трубы проходят между отдельными секциями субблоков. Электрические соединения между субблоками выполняются с помощью плат. Охлаждающий воздух от системы подается в трубу.

Блок ракетно-космической РЭА. Внутри корпуса установлена горизонтальная плата, покрытая слоем пенопласта. Элементы смонтированы внутри пенопластового слоя для уменьшения ударных нагрузок. Пенопластовый слой не ухудшает условий охлаждения РЭА, так как при невесомости естественная конвекция воздуха отсутствует. Наиболее теплонагруженные элементы РЭА имеют теплопроводный контакт с металлической пластиной, которая соединена с корпусом. Таким образом осуществляется кондуктивный теплообмен между теплонагруженными элементами РЭА и кожухом блока. Тепловой поток от кожуха отводится кондуктивным способом к корпусу контейнера либо воздушным принудительным охлаждением путем наружного обдува оребренного кожуха. Воздушное охлаждение элементов РЭА, смонтированных внутри блока (дискретные и микроминиатюрные элементы), а также монтируемых отдельно (большие элементы), является наиболее простым, дешевым и удобным в эксплуатации способом охлаждения. Однако эффективность этого способа охлаждения мала по сравнению с жидкостным и испарительным способами охлаждения.

1. Жидкостные системы охлаждения РЭС.

Конструктивные особенности РЭА с жидкостным охлаждением:

Естественное жидкостное охлаждение платы с элементами или больших элементов РЭА заключается в погружении их в бак с жидкостью. Интенсификация конвективного теплообмена происходит за счет более высоких коэффициентов теплоотдачи между элементами РЭА и жидкостью, чем между элементами и воздухом. Однако этот метод охлаждения применяется редко, так как конструкция РЭА значительно усложняется, и требуются специальные покрытия для элементов.

Принудительное жидкостное охлаждение применяется при высоких удельных мощностях рассеивания. Наибольшее распространение этот способ получил при охлаждении больших элементов, когда однофазная жидкость прокачивается насосом через специальные каналы в охлаждаемых узлах приборов (электроды мощных ламп, трансформаторы и т. д.). При отводе тепла от блоков жидкость прокачивается через каналы, выполненные в платах или кожухе аппарата.

В качестве жидких теплоносителей обычно применяются: вода, водоспиртовые смеси (антифризы), кремнийорганические и фтороорганические жидкости. Выбор типа теплоносителя является одной из главных проблем при разработке принудительного жидкостного охлаждения, так как к теплоносителям предъявляются разнообразные требования (теплофизические, электрические и др.). Этот способ, как правило, необходим там, где нужно избежать кипения жидкости даже в локальных областях, так как в режиме кипения возможно появление гидродинамической неустойчивости, вибраций (шумов) и ухудшение свойств жидкости. При жидкостном принудительном охлаждении возможны все три режима движения: ламинарный, переходный и турбулентный. Опыт проектирования таких систем показывает, что чаще всего мы встречаемся с переходным либо турбулентным режимом и гораздо реже с ламинарным. Конструкция РЭА при жидкостном охлаждении, как правило, значительно сложнее, чем при воздушном. Однако при высоких удельных мощностях рассеивания жидкостное охлаждение РЭА является единственно возможным, поэтому в современных радиоэлектронных приборах этот вид охлаждения находит широкое применение.