Радиаторы.Выбор радиатора.

Для увеличения эффективности воздушного охлаждения элементов РЭА на практике широко используют оребрение поверхностей охлаждения. Для мощных радиоэлектронных ламп с воздушным охлаждением наиболее часто встречаются поверхности охлаждения в виде ребренного цилиндра с продольным или поперечным смыванием потоком воздуха. В качестве оребряющих элементов применяются гладкие, перфорированные и гофрированные пластины различной формы, штыри, иголки, проволочные спирали и т. п.

На рисунке 15.1 приведены виды оребрения поверхностей охлаждения мощных электронных ламп.

Рис. 15.1 Схемы оребрения поверхностей охлаждения

Цилиндрическая поверхность охлаждения с гладкими ребрами и поперечным омыванием потоком воздуха показана на рисунке 15.1, а; то же, но с продольным омыванием на рисунке – 15.1, г. Направление движения воздуха показано на рисунке 15.1 стрелками. При естественном охлаждении поверхности должны быть ориентированы по этим стрелкам. На рисунке 15.1, б,д приведены оребренные поверхности с перфорированными ребрами. Перфорация ребер осуществляется вдоль потока воздуха, чем достигается срыв пограничного слоя и увеличение конвективного коэффициента теплоотдачи. У перфорированных продольно омываемых пластин по сравнению с гладкими пластинами конвективный коэффициент теплоотдачи увеличивается на 30—50%. На рисунке 15.1, в и е показаны поверхности охлаждения с гофрированными ребрами. Гофрировка поверхности ребра приводит к увеличению конвективного коэффициента теплоотдачи по сравнению с гладкими пластинами в 2—3 раза. На рисунке 15.1, з показана схема игольчатого (штыревого) оребрения, первое или второе название применяется в зависимости от толщины шипов, а на рисунке 15.1, ж - петельно-проволочного оребрения. Применение этих видов оребрения при принудительном воздушном охлаждении позволяет существенно увеличить конвективный коэффициент теплоотдачи по сравнению с гладкими ребрами.

Большое влияние на теплоотдачу оребренных поверхностей, приведенных на рисунке 15.1, оказывает способ соединения ребер с гладкой поверхностью. Наиболее эффективным способом соединения является изготовление ребер зацело с гладкой поверхностью путем литья или механической обработки, а также сварка или пайка. Кроме этого, в настоящее время применяются следующие соединения: завальцовка или зачеканка ребер в пазы, тугая посадка, напряженная навивка с последующей пайкой или без нее, посадка оребренной муфты.

Широко применяются оребренные поверхности для отвода тепла от полупроводниковых приборов средней и большой мощности, монтируемых отдельно (большие элементы) и группами (дискретные элементы). Детали с оребренными поверхностями называют радиаторами или теплоотводами. Радиаторы применяют для полупроводниковых приборов малой мощности, а также для мощных резисторов и других элементов РЭА. Высокая эффективность радиаторов, используемых для отвода тепла от полупроводниковых приборов, а также массовое их применение в РЭА породили большое разнообразие конструкций радиаторов. Условно все конструкции радиаторов можно разбить на четыре класса:

1. пластинчатые;

2. штырьковые;

3. проволочные;

4. особые.

Радиаторы выполняются в виде отдельной конструкции, на которую крепится полупроводниковый прибор. В качестве материалов для радиаторов применяются главным образом алюминиевые сплавы, а также медь, магний, бериллий. Многие радиаторы выпускаются серийно, и их размеры унифицированы.

Рис. 15.2. Пластинчатые радиаторы

В пластинчатых радиаторах теплоотдающие поверхности могут иметь различную форму. На рисунке 15.2 и 15.3 приведены конструкции пластинчатых радиаторов. Простейшая конструкция показана на рисунке 15.2, а. Здесь пластина крепится к шасси. Пластина может быть выполнена в виде лапки для крепления, флажка, крылышек, вертикальных загнутых пластин (рисунок 15.2, б), пружинящей пластины (рисунок 15.3, а), пружинящей обоймы (рисунок 15.3, в). Для увеличения поверхности охлаждения пластина может быть оребрена, как показано на рисунках 15.2, в и 15.3, б. Расположение ребер может быть горизонтальным либо вертикальным в зависимости от расположения радиаторов и направления движения воздуха.

Рис. 15.3 Пластинчатые пружинящие радиаторы.

На рисунках 15.4 и 15.5 приведены различные конструкции радиаторов с набором пластин. На рисунках 15.4, в и 15.5, б показана конструкция радиатора с зигзагообразным расположением ребер. Ребра располагают так, чтобы облегчить естественную конвекцию воздуха. При принудительном охлаждении направление потока воздуха может быть не строго ориентировано вдоль ребер, что будет способствовать турбулизации потока. На рисунке 15.5, г показаны конструкции радиаторов, в которых для увеличения поверхности охлаждения использованы гофрированные пластины.

Рис. 15.4. Радиаторы с равномерным набором пластин.

Рис. 15.5. Радиаторы с не равномерным набором пластин.

На рисунке 15.6 приведена конструкция штырькового, а на рисунке 15.7 проволочного радиатора.

Рис. 15.6. Штырьковый радиатор

Рис. 15. 7Схема петельно-проволочного радиатора

К особым конструкциям относятся обычно радиаторы, предназначенные для работы в специальных условиях: в разреженном воздухе, невесомости, нестационарном режиме и т. д.

Конструкции особых радиаторов могут значительно отличаться от описанных выше. Так, например, радиаторы для полупроводниковых приборов, работающих в кратковременном режиме, выполняются в виде массивных металлических деталей, имеющих большую теплоемкость, либо в виде емкостей для аккумуляторов тепла.

Пластинчатые радиаторы без ребер наиболее просты, но область их применения ограничена элементами малой мощности. Широко используются на практике пластинчатые радиаторы с ребрами, так как они достаточно просты в изготовлении и могут быть применены для полупроводниковых приборов средней и большой мощности. Но ребра радиаторов должны быть ориентированы по направлению потока воздуха (за исключением радиаторов с зигзагообразным расположением ребер), что не всегда удобно для конструкторов РЭА. С этой точки зрения интересен штырьковый радиатор, так как здесь строгой ориентации потока воздуха не требуется. Радиатор используется при естественном и принудительном воздушном охлаждении для полупроводниковых приборов большой и средней мощности. Радиаторы с проволочным оребрением при принудительном воздушном охлаждении имеют, как правило, более высокие эффективные коэффициенты теплообмена, однако технология их изготовления более сложная, поэтому пока они не получили широкого распространения.

Выбор радиатора осуществляется в две стадии:

1) На этапе компоновки изделия требуется знание геометрических размеров S_p, (V_p), отводимых под радиатор. Далее графоаналитическим методом определяем зависимость ΔТ от P/S (рис. 15.8). Здесь ΔТ = Т_S - Т_ср, Т_S – справочная величина Т_пр.доп. При выборе Т_ср делают запас повышением Т_ср (минимум на 10^оС по сравнению с ТЗ).

Из графоаналитического метода можно определить следующее: вид оребрения, условия теплообмена, при этом нужно учитывать все особенности конструируемого аппарата.

2) Делается окончательный расчет, с учетом теплообмена и особенностей конструкции прибора.

Рекомендации по применению радиаторов:

а) вводится дополнительный элемент конструкции (учитывается масса, стоимость, делается чертеж);

б) в условиях свободной конвекции, когда радиатор – основной источник тепловой энергии, среднее время непрерывной работы устройства ограничивается 8 часами. Для круглосуточной работы необходимо вводить дополнительно принудительную вентиляцию.

Для пластинчатых радиаторов средняя мощность рассеяния должна быть ≤ ≈ 5 Вт.

Для ребристых, игольчато-штыревых ≤ ≈ 15 – 20 Вт.

Данные параметры берутся из расчета удельных характеристик:

Р_уд.м = Ф/М_р, М_р – масса радиатора;

Р_уд.V = Ф/V, V – объем;

Р_уд.S = Ф/S, S – площадь.

В условиях пониженного давления рекомендуется применять радиаторы типа «краб», из-за малого углового коэффициента между ребрами (низкое взаимное облучение ребер).

Для улучшения эксплуатационных свойств радиаторов применяются следующие меры:

а) увеличение степени черноты радиатора, путем нанесения специального покрытия (лаки УР231 - ε = 0,92÷0,98, чернение - ε = 0,95 и т.д.);

б) электрическая изоляция между охлаждаемыми элементами и радиатором.

Вихревые трубы.

Эффект вихревого температурного расширения сжатого газа открыт немецким физиком Р'анком в 1931г., и с конца 40-х годов исследованию и применению этого эффекта посвящено много работ. Вихревой холодильник может быть использован при создании миниатюрных устройств для охлаждения небольших объектов с массой около нескольких граммов до температуры порядка —50° С. Он прост и надежен в работе и требует сравнительно небольших расходов воздуха и давления газа (несколько атмосфер).

Рисунок 16.1 Схема вихревой трубы

Рассмотрим схему вихревой трубы, представленную на рис. 16.1 Сжатый газ поступает в цилиндрическую трубу 2 через отверстие 5, расположенное по касательной к ее внутренней окружности. Труба с одной стороны ограничена диафрагмой 3 с небольшим отверстием в центре 4, с другой стороны — вентилем 1. Благодаря тангенциальному расположению отверстия струе газа, охладившейся при расширении, сообщается вихревое движение. Поле угловых скоростей «вихря в сечении б-б (проходящем через плоскость входного сечения) является неравномерным: наибольшими угловыми скоростями обладают слои, расположенные по оси трубы, и по мере удаления от центра угловая скорость вихря падает. В этой неравномерности распределения угловых скоростей и кроется возможность температурного распределения слоев газа в вихревом холодильнике. При вращательно-поступательном движении вдоль трубы центральные слои, вращающиеся с большими скоростями, испытывают сопротивление со стороны слоев, вращающихся с меньшими скоростями. Наличие трения между слоями газа приводит к тому, что в некотором сечении, а-а распределение угловых скоростей становится близким к равномерному. Это означает, что центральные слои отдали часть своей энергии на производство механической энергии против сил трения и благодаря этому сохранили ту пониженную температуру, которую они получили при расширении на входе в трубу. Для массы газа m, вращающегося со скоростью со на расстоянии r от центра, переданная внешним слоям кинетическая энергия

где , — угловые скорости потока в сечениях а-а, б-б на расстоянии r от оси.

Охладившийся центральный поток газа выходит из вихревой трубки через отверстие в диафрагме, более нагретые внешние слои отводятся наружу через вентиль 1. Движение потоков может осуществляться как в одном, так и в противоположном направлениях.

Эффекты охлаждения и подогрева воздуха определяются разностями температур:

, ,

где температуры газа на входе, горячего и холодного потоков на выходе. Отношение массового расхода холодного воздуха к общему расходу G воздуха называется относительным расходом воздуха и является важным параметром ВТ. Для теплоизолированной ВТ известна зависимость

, ,

из которой следует, что чем больше доля холодного воздуха, тем меньше при данной , и наоборот. Характеристика вихревой трубы строится обычно в виде и приведена для теплоизолированной трубы на рис.16.2.

Рисунок 16.2 Характеристики изолированной вихревой трубы

Из рисунка видно, что при достигается наибольший эффект охлаждения, при дальнейшем увеличении этот эффект падает и при исчезает. Подогрев горячего газа, возрастая с ростом , достигает максимального значения при , близком к 1 (на рис. 16.2 не показано), а затем резко падает до нуля.

Получение холода в вихревом холодильнике требует больших
энергетических затрат по сравнению с обычными методами. Напри-
мер, для получения температуры —40° С вихревой холодильник даже при небольших холодопроизводительностях (около 100 Вт) требует в 10 раз большего расхода энергии, чем компрессионные холодильные машины. Энергетические показатели можно значительно улучшить, если вторично использовать энергию выходных потоков (их температуру и давление), так как температура отработанного холодного потока остается ниже температуры сжатого воздуха на входе в ВТ. Для этого используется теплообменник в сочетании с ВТ и объектом охлаждения. На рис. 16.3, а показана принципиальная схема охлаждения объекта 4 с помощью ВТ 1 и с использованием теплообменника 2. На рис. 16.3, б показан вариант конструктивного оформления вихревого холодильника 1 с простейшим теплообменником в виде тонкостенной трубки 2, навитой на трубе холодного воздуха и помещенной в кожух 3 с отверстием 4. Для понижения температур Т_г иногда применяют ступенчатое соединение ВТ. Отличительной особенностью ВТ является простота конструкции и надежность работы, что позволяет, несмотря на невысокий к.п.д. (характеризует степень приближения к идеальной тепловой машине и составляет 0,23), конкурировать в ряде случаев с другими способами охлаждения. Известно применение ВТ для создания холодильных камер, термостатов (с объемом камеры до 1 м³), для кондиционирования, и для охлаждения мощных полупроводниковых приборов.

Рисунок 16.3 Регенеративный цикл охлаждения вихревой трубы

Обычно ВТ как охлаждающее устройство используют при температурах выше —100° С, причем наиболее целесообразно использовать их для локального охлаждения. Приведем несколько цифр, количественно характеризующих ВТ. Коэффициент теплоотдачи между вихрем и стенкой трубы 1200 Вт/(м²К), между вихрем и помещенным в него (в приосевую область) телом около 600 Вт/(м²К). Вихревая труба диаметром 1 мм и длиной 10 мм при расходе воздуха 0,25 л/с позволяет отвести тепловой поток до 5 Вт. Одна из типичных конструкций микрохолодильника имеет следующие параметры: рабочее давление. воздуха 10⁶ Па; температура сжатого воздуха 20°С; температура холодного воздуха —55°С; общий расход воздуха 0,7 л/с; диаметр 18 мм, длина 50мм; масса 15г; диаметр патрубка горячего потока 3мм.

Тепловые трубы.

Принцип действия и основные характеристики ТТ. Тепловая труба— устройство, предназначенное для переноса теплового потока с одного конца трубы в другой за счет использования скрытой теплоты фазового превращения теплоносителя, помещенного внутригерметичной ТТ.

Рисунок 17.1 Схема тепловой трубы

На рис. 17.1 представлено схематическое изображение ТТ в форме круглого полого цилиндра 1 с большим отношением длины L к диаметру d. Внутренняя поверхность трубы выложена капиллярно-пористой структурой 2, последняя насыщена смачивающей жидкостью и граничит с паровым объемом г — центральной частью трубки радиуса r_а. Капиллярно-пористая структура может представлять собой металлическую сетку, спеченные шарики, металловолокна, стеклоткани и даже систему канавок на внутренней поверхности корпуса 1. Смачивающая жидкость является теплоносителем и в зависимости от уровня температуры в зоне источника а выбираются жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и т. п. При температурах свыше 750 К используются жидкие металлы; для диапазона 550<T<750 К—ртуть (высокотемпературные ТТ). В области среднего диапазона температур 200<T<550 К используются в качестве теплоносителя органические жидкости, вода (низкотемпературные ТТ); при температурах ниже 200 К теплоносителем являются сжиженные газы (криогенные ТТ) При подводе теплового потока Ф_п к испарительной зоне а теплоноситель в этой части капиллярно-пористой системы начинает испаряться и пары, пройдятранспортную зону б, поступают в противоположный конец трубы в — в конденсационную зону, где отводится теплота. Здесь пар конденсируется, и жидкость под действием капиллярных сил снова поступает по фитилю в зону испарения. При конденсации пара выделяется поток Фо, который отводится в теплообменник. Между зонами испарения и конденсации возникают небольшие температурные градиенты, а боковая поверхность цилиндра 1 в транспортной зоне б практически не меняет температуру, поэтому можно считать, что через зону б переносится весь поток Ф, т. е. Ф=Ф_п= Фо

Рисунок 17.2 Схема термосифона

На рис. 17.2 представлена схема гравитационного термосифона, в котором в отличие от тепловых труб возврат конденсата происходит под действием сил гравитации. Необходимым условием работы термосифонов является наличие гравитационных сил и расположение зоны конденсации Ь лад испарительной зоной а. Тепловые трубы могут иметь различные формы и конфигурации, обычно они стандартизованы по типоразмерам и функциональному назначению или специально изготовлены для охлаждения конкретного объекта. На рис. 17.3, а, в, г изображены некоторые типы тепловых труб.

В 60—70-х годах основной областью применения ТТ являлась ядерная энергетика и космическая техника, в последние годы одним из объектов использования ТТ становятся радиоэлектронные устройства. Физические процессы и особенности конструкций ТТ придают им ряд особых качеств. Прежде всего в ТТ возможно транспортировать тепловые потоки порядка Вт/м², а также разветвлять тепловой поток по нескольким каналам (рис. 17.3, в).

Рисунок 17.3 Тепловые трубы различного типа: а – плоская; б – гибкая; в - образная; г- змеевидная; - подведенные и отведенные потоки теплоты

Низкое тепловое сопротивление транспортной зоны приводит к большой эффективной теплопроводности ТТ, которая в несколько раз превышает теплопроводность меди и серебра. Тепловая труба способна работать в любом положении вне зависимости от ориентации в пространстве и гравитации. Кроме того, при циркуляции теплоносителя внутри ТТ отсутствуют движущиеся детали, насос, а само устройство автономно.

Тепловые трубы принято характеризовать тремя группами параметров: теплофизических, конструктивных и стыковочных.

К теплофизическим параметрам относятся тепловой поток, передаваемый с помощью ТТ от источника теплоты в теплообменник при заданных условиях эксплуатации; уровень рабочих температур; термическое сопротивление R тепловой трубы, равное отношению разности средне поверхностных температур стенок зоны испарения и конденсации к переносимому тепловому потоку:

Конструктивные параметры определяют внешние и внутренние особенности конструкции ТТ, а именно: конфигурацию и наружные размеры корпуса, испарительной, конденсационной и транспортной зон, толщину и материал стенок корпуса, устройство фитиля.

Стыковочные параметры характеризуют условия эксплуатации аппаратуры и способы сочетания последней с ТТ, например, способ передачи теплоты от источника к ТТ, конструктивное оформление областей контакта в испарительной и конденсационной зонах, термическое сопротивление контакта.

Примеры применения тепловых труб в РЭА. В РЭА тепловые трубы могут выполнять ряд функций: с их помощью теплоотдающая поверхность может быть вынесена за пределы основных функциональных блоков и узлов, тепловые трубы позволяют создать внутри приборов области сравнительно равномерного температурного поля и тем самым снизить механические напряжения, решать задачи термостабилизации и др. В настоящее время известны примеры использования ТТ для охлаждения как отдельных теплонагруженных элементов и узлов, так и целых радиоэлектронных блоков, и устройств. Рассмотрим Некоторые примеры.

Пусть весь прибор охлаждается благодаря свободной вентиляции, но при этом возникает необходимость размещения внутри прибора теплонагруженного элемента или блока, требующего для нормальной работы принудительной вентиляции (рис. 17.4, а), а место для размещения вентилятора отсутствует. В этом случае с помощью ТТ тепловой поток может быть отведен на часть оребренного корпуса прибора (рис. 17.4, б). На рис. 17.5 показано одно из возможных решений отвода теплоты от платы с микросхемами: от микросхем 2 тепловой поток через монтажную плату 3 передается к металлической рамке 4, в часть которой встроена тепловая труба 5; зона конденсации выполнена в виде конуса, плотно вставленного в конусное отверстие теплообменника 1. Такое решение позволяет избежать непосредственного омывания жидкостью конструкций РЭА.

Рисунок 17.4 Охлаждение отдельного теплонагруженного блока или элемента

Рисунок 17.5 Охлаждение платы с микросхемами с помощью ТТ

Тепловые трубы используются также для охлаждения целых радиоэлектронных блоков, в аппаратуре с упорядоченной структурой элементов, во вторичных источниках питания. Применение ТТ в таких системах позволяет эффективно использовать корпус прибора как внешнюю поверхность теплообмена, увеличить компактность прибора, исключить контакт охлаждающей среды с элементами.

На рис. 17.6 приведена схема компоновки секции приборного шкафа 4 с использованием тепловых труб 6, образующих монтажную плату с размещенными на ней транзисторными модулями 5. От плат— тепловых труб поток передается в теплообменник 2, контактирующий с зоной конденсации ЗТТ; теплообменник помещен в общую систему 1 конвективного охлаждения шкафа.

Рисунок 17.5 Компановка приборного шкафа с использованием ТТ

Заметим, что эффективность применения ТТ в РЗА достигается благодаря реализации ряда мер, обеспечивающих малые перепады температур на всем тракте теплового потока в аппарате. Для этого необходимо создавать хорошие тепловые контакты в любых соединениях, применять платы с повышенной теплопроводностью.