Глава 8. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС.

В настоящем разделе рассматриваются вопросы теории и практики обеспечения работоспособности РЭС в условиях воздействия на него тепловой энергии. Для решения указанной задачи разбираются общие положения обеспечения нормального теплового режима РЭС, методы защиты от перегрева отдельных элементов и конструкции в целом, а также конструктивная реализация защиты РЭС от тепловой энергии.

8.1. Основные положения обеспечения защищенности РЭС от тепла.

Предваряя рассмотрение методов и способов защиты РЭС от влияния тепловой энергии, необходимо установить результаты ее воздействия на конструкцию РЭС.

8.1.1. Влияние теплового режима на надежность РЭС.

В процессе эксплуатации РЭС подвергаются влиянию положительных и отрицательных температур, источниками которых являются окружающая среда, объект установки и сама РЭС. Диапазон изменения температур в околоземной атмосфере может составлять ± 100°С, а в космосе он еще шире. Объект установки РЭС может иметь источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным топливом, жидкий азот для охлаждения чувствительных элементов). Сама РЭС является источником тепла, поскольку представляет собой систему преобразующую энергию.

Баланс энергии в РЭС определяется выражением

Р = Р_П + Р_Р + Р_Н ,

где Р - полезная энергия, подводимая к изделию от источника питания;

Р_П - полезная энергия, затрачиваемая на функционирование изделия;

Р_Р - тепловая энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве;

Р_Н - тепловая энергия, затрачиваемая на нагрев элементов.

Рассеиваемая энергия составляет 70...90% от энергии потребления:

Р_Р + Р_Н = (0,7...0,9)Р.

КПД любого электронного устройства определяется как

h = .

Таким образом, КПД устройства тем выше, чем меньше расход энергии на тепло. Обычно КПД РЭС невелик. Следовательно, значительная часть энергии выделяется в виде тепла. Если эту энергию не рассеять в окружающее пространство, то она пойдет на нагрев РЭС.

Воздействие положительных и отрицательных температур может снизить надежность аппаратуры. Причинами параметрических отказов могут быть:

n ухудшение изоляционных свойств материалов;

n изменение коэффициента усиления;

n изменение параметров конденсаторов, резисторов, магнитных сердечников и т.п.

Все эти факторы могут привести к искажению сигнала до уровня, при котором нормальное функционирование невозможно.

Причинами внезапных отказов, вызванных воздействием низких температур являются:

n затвердевание резины (разгерметизация прокладок, выход из строя амортизаторов);

n увеличение вязкости смазок;

n замерзание влаги, вызывающее увеличение микротрещин в материалах, и т.п.

Повышение температуры приводит к:

n выделению летучих веществ из изоляционных и смазочных материалов, что изменяет их свойства;

n изменению структуры керамических материалов;

n старению материалов;

n образованию пор в паяном шве и т.п.

Если в конструкции имеются материалы с разными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), то это приводит к поломке конструкции: обрыв проводников в МПП, заклинивание подшипников и зубчатых пар, выход из строя паяных, сварных и клеевых швов.

Функциональные элементы и механические части РЭС различаются термостойкостью, т.е. способностью элементов и материалов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также термоударов. Термостойкость определяют по температуре, соответствующей началу существенных изменений параметров или свойств элементов. Поэтому элементы и материалы могут нормально функционировать в пределах некоторого диапазона температур. (Это явление наблюдается и в природе - нормальная температура человеческого тела 36,6 ± 0,1°С).

Таким образом, обеспечение надежности РЭС связано с обеспечением температуры всех их частей в заданных пределах.

Тепловым режимом называется пространственно-временное изменение температуры устройства. Оно зависит от мощности источников и поглотителей энергии, геометрических и физических параметров среды, поглощающей тепло.

Тепловой режим блока РЭС характеризуется совокупностью температур отдельных его точек в пространстве и во времени - температурным полем, Т (х,у,z,t).

Рис.8.1. Температурное поле РЭС.

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

В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным.

Стационарный режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени, обусловленной термодинамическим равновесием между источником и поглотителями тепловой энергии.

Нестационарный режим характеризуется сильной зависимостью температурного поля от времени. Он обычно имеет место при одиночных и кратковременно повторяемых тепловых нагрузках.

Увеличение функциональной сложности при уменьшении габаритов РЭС приводит к теплонагруженности аппаратуры, что требует принятия специальных мер для обеспечения нормального теплового режима.

8.1.2. Задача обеспечения защищенности РЭС от воздействия тепла.

Снижение надежности РЭС при воздействии тепловой энергии требует обеспечения защищенности их от такого воздействия. Рассматривая конструкцию РЭС как некоторую тепловую систему S_Т, обладающую совокупностью источников, проводников и стоков (приемников) тепла, можно сформировать задачу конструкторов РЭС в следующем виде: необходимо спроектировать систему S_т, состоящую из набора элементов Г, представляющих собой источники, проводники и приемники тепла, обменивающихся тепловой энергией в соответствии с определенными принципами П_Т по определенной схеме q_Т (структуре) и с определенными параметрами Е_Т с целью получения нормального теплового режима внутри S_Т, т.е. найти S_Т = {П_Т,Г,q_Т,Е_Т} при Т°_ДОП (х,у,z,t) допустимом.

Очевидно, что задача проектирования S_Т распадается на две подзадачи: синтез тепловой подсистемы S_Т и анализ S_Т. Рассмотрим вначале задачу синтеза S_Т.

Для поиска S_Т необходимо определить, во-первых, совокупность принципов П_Т организации системы. Исходя из общих соображений, возможны следующие принципы:

р₁ - изоляция защищаемого объекта (РЭС и его элементы, в данном случае) от источника тепла;

р₂ - отвод тепла от защищаемого объекта и комбинация двух принципов.

Для реализации принципа изоляции применяется особый элемент g₁ конструкции - тепловой экран. Конструктивная реализация второго принципа (отвод тепла) возможна как за счет оптимизации элементов Г¢ самой конструкции (корпусов ЭРЭ, несущих конструкций, выводов и т.д.), так и за счет введения специальных элементов Г¢¢ - дополнительных проводников тепла - радиаторов, тепловых шин, дополнительных слоев в ПП и т.д.

Схемы q_Т распространения тепла в конструкции РЭС обычно обеспечивают отвод тепла от модулей низших уровней на несущую конструкцию, а оттуда - в теплоноситель, в качестве которого выступает чаще всего окружающая среда.

Анализ тепловой подсистемы S_Т сводится обычно к определению расчетным или экспериментальным путем конкретных значений параметров Е_Т тепловой подсистемы. Чаще всего достаточно найти значения температуры в конкретных точках внутри конструкции, т.е. определить Т° (х = х_треб, у = у_треб, z = z_треб, t = t_треб) и сравнить их с допустимыми.

8.1.3. Способы отвода тепла в РЭС.

Для уточнения возможности реализации принципа обеспечения защищенности РЭС за счет отвода тепла от объекта, а также для определения оптимальных значений параметров Е_Т тепловой подсистемы S_Т, рассмотрим основные положения теории теплообмена. Известно, что теплообмен возможно организовать за счет кондукции, конвекции и излучения.

8.1.3.1. Кондуктивный теплообмен.

Процесс передачи тепла теплопроводностью объясняется обменом кинетической энергии между молекулами вещества и диффузией электронов. Эти явления имеют место, когда температура вещества в различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количество тепла, проходящее через гомогенное (однородное) тело в единицу времени, прямо пропорционально площади поперечного сечения, нормальной к потоку тепла, и температурному градиенту вдоль потока,

Р_Т = ,

где Р_Т - мощность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, Вт;

l - коэффициент теплопроводности, ;

d - толщина стенки, м;

t₁,t₂ - температура нагретой и холодной поверхности, К;

S - площадь поверхности, м².

Из этого выражения можно сделать вывод, что при разработке конструкции РЭС теплопроводящие стенки следует делать тонкими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности.

Рассмотрим случай передачи тепла через плоскую стенку толщиной d.

Рис. 8.2. Передача тепла через стенку.

Количество тепла, передаваемого за единицу времени через участок стенки площадью S определится по уже известной формуле

Р_Т = .

Эту формулу сравнивают с уравнением закона Ома для электрических цепей. Нетрудно убедиться в их полной аналогии. Так количество тепла в единицу времени Р_Т соответствует величине тока I, температурный градиент (t₁ - t₂) соответствует разности потенциалов U.

Отношение называют т е р м и ч е с к и м сопротивлением и обозначают через R_Т,

R_Т = ,

Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока и электрического тока не только позволяет отметить общность физических процессов, но и облегчает проведение расчета теплопроводности в сложных конструкциях.

Если в рассмотренном случае элемент, который нужно охладить, располагается на плоскости имеющей температуру t_СТ1, то

t_СТ1 = Р_Тd(lS) + t_СТ2.

Следовательно, для уменьшения t_СТ1 нужно увеличить площадь теплоотводящей поверхности, уменьшить толщину передающей тепло стенки и выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности.

Для улучшения теплового контакта необходимо уменьшать шероховатость контактирующих поверхностей, покрывать их теплопроводящими материалами и создавать контактное давление между ними.

Качество теплового контакта между элементами конструкции зависит также от электрического сопротивления. Чем меньше электрическое сопротивление контактной поверхности, тем меньше его термическое сопротивление, тем лучше теплоотвод.

Чем меньше теплоотводность окружающей среды, тем больше времени потребуется для установления стационарного режима теплообмена.

Обычно охлаждающей частью конструкции является шасси, корпус или кожух. Поэтому при выборе компоновочного варианта конструкции нужно смотреть, имеет ли выбранная для крепления охлаждающая часть конструкции условия для хорошего теплообмена с окружающей средой или теплостойком.

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 = a_К (t_К - t_С) S_К,

где Р - мощность, передаваемая в виде тепла, Вт;

a_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 a_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 e называют степень черноты. Она приводится в таблицах, причем шероховатые поверхности имеют большую величину e, чем хорошо обработанные, (так для полированного алюминия e = 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.

8.2. 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 естественном 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.

Принудительное воздушное охлаждение используют для интенсификации теплообмена.

Рис. 8.6. Перемешивание воздуха вентилятором.

Рис. 8.7. Принудительная вентиляция приточного или вытяжного типа.

Жидкостные и испарительные 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 кондукции 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.

Пластинчатые 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.

Ребристые радиаторы эффективнее пластинчатых. Изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов.

Рис. 8.17. Штырьковые радиаторы.

Штырьковые радиаторы имеют более высокий коэффициент теплообмена, чем ребристые. Изготавливаются литьем под давлением.

Рис. 8.18. Игольчатые радиаторы.

Игольчатые радиаторы эффективнее штырьковых, но сложнее в изготовлении и дороже.

Рис. 8.19.Спиральные радиаторы.

Спиральные 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.

8.2.2. Выбор вида охлаждения.

Каждая система охлаждения имеет свои преимущества и недостатки. Естественная конвекция и теплопроводность наиболее доступны и наименее эффективны. Остальные способы требуют применения специальных средств, усложняющих и удорожающих конструкцию. Способ охлаждения во многом определяет конструкцию и компоновку РЭС, поэтому на начальной стадии конструирования уже нужно выбрать способ охлаждения.

Для прикидочного расчета пользуется построенными на основе практики и представленными в справочной литературе номограммами.

Исходными данными являются габаритные размеры блока, суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, коэффициент заполнения и диапазон температур.

Сначала определяют условную поверхность S охлаждаемого РЭС:

S = 2[L₁L₂ + (L₁ + L₂)L₃K_З],

где L₁, L₂, L₃ габаритные размеры блока, м;

К_З - коэффициент заполнения объема.

Затем вычисляется логарифм удельной тепловой мощности

g = lg (P/S),

где Р - суммарная мощность тепловых потерь, Вт (определяется по значению потребляемой мощности и коэффициенту полезного действия устройства).

Теперь определяется минимально допустимый перегрев элементов блока

Dt = t_iмин - t_c,

где t_iмин - допустимая температура наименее стойкого элемента блока по ТУ;

t_c - температура окружающей среды, К.

Откладывая полученные данные по осям абсцисс и ординат, находят зону, соответствующую рекомендуемому виду охлаждения.

Рис. 8.20. Диаграмма выбора системы охлаждения.

На последующих стадиях проектирования конструкции РЭС вид системы охлаждения уточняется.

Контрольные вопросы по главе 8.

1. Механизм и результат влияния теплового режима на РЭС.

2. Оценки теплового режима в РЭС.

3. Тепловая подсистема в РЭС.

4. Задача обеспеченности РЭС от тепла.

5. Принципы, основные элементы и схеы защиты РЭС от тепловой энергии.

6. Способы отвода тепла в конструкциях РЭС.

7. Кондуктивный теплообмен и возможности его использования в конструкциях РЭС.

8. Конвективный теплообмен и его использование в конструкциях РЭС.

9. Излучение и его использование в РЭС.

10. Конструктивная реализация защиты блоков и шкафов РЭС от тепловой энергии.

11. Конструктивная реализация защиты ячеек и узлов РЭС от тепла.

12. Радиаторы и их типы.

13. Естественно и принудительно-воздушные системы обеспечения теплового режима РЭС.

14. Жидкостные системы охлаждения.

15. Тепловые трубки.

16. Предварительный выбор принципа обеспечения теплового режима РЭС.

17. Способы анализа теплового режима РЭС.