Системы охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), предназначенной для работы в широком диапазоне температур, приходится учитывать влияние температуры на ее характеристики и параметры. Если последние выходят за пределы, допустимые для ее нормального функционирования, прибегают к тем или иным методам охлаждения и температурной стабилизации.

В настоящее время в практике проектирования РЭА используются различные методы обеспечения ее тепловых режимов, среди которых можно выделить воздушные, жидкостные, кондуктивные, испарительные, термоэлектрические и некоторые специальные.

При этом необходимо отметить, что для обеспечения теплового режима малогабаритной РЭА с высоким значением удельной мощности рассеяния, работающей в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, не все из указанных выше методов являются приемлемыми. Так, охлаждение РЭА на основе воздушного и кондуктивного методов является малоэффективной вследствие низкой интенсивности теплоотвода и точности поддержания температуры на требуемом уровне. Жидкостная и испарительная система термостабилизации сложна для реализации, требует громоздкого и сложного в конструктивном исполнении оборудования. Кроме того, в данном случае требуется наличие источника электрической энергии для питания охлаждающих систем.

Перспективным для охлаждения РЭА, работающей в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, является метод, основанный на использовании плавящихся рабочих веществ со стабильной температурой плавления. Конструктивно устройства, реализующие данный метод, выполняются в виде контейнера, заполненного плавящимся рабочим веществом, в который помещается элемент РЭА. Во время работы основная часть теплоты, рассеиваемого элементом или блоком аппаратуры, поглощается за счет скрытой теплоты плавления вещества. После окончания работы аппаратуры происходит снижение температуры вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой.

Главным недостатком таких систем, ограничивающих их применение для охлаждения элементов РЭА с высокими мощностями рассеивания, является необходимость поддерживания рабочего вещества в состоянии фазового перехода на протяжении всего цикла работы радиоэлектронного прибора. Так как элемент РЭА в течение времени своего функционирования выделяет значительные мощности, то во многих случаях теплоаккумулирующая способность рабочего вещества оказывается недостаточной для обеспечения требуемого температурного режима на протяжении всего цикла его работы (рабочее вещество полностью расплавится к концу цикла работы элемента РЭА). В результате этого необходимый температурный режим РЭА нарушается, прибор выходит из строя.

В связи с этим при охлаждении мощных радиоэлектронных устройств с применением плавящихся рабочих веществ целесообразно использование некоторой дополнительной охлаждающей системы для отвода избытка теплоты них. В отношении энергетических и массогабаритных показателей эффективным является использование в качестве такой дополнительной системы охлаждения термоэлектрической батареи (ТЭБ).

Другим недостатком систем охлаждения на основе плавящихся тепловых аккумуляторов является следующее обстоятельство. Для обеспечения движение границы раздела фаз от крайнего верхнего до крайнего нижнего слоя рабочего вещества необходимо постоянное увеличение температуры верхней оболочки устройства относительно температуры плавления до температуры, обусловленной термическим сопротивлением толщины плавящегося агента. Данное обстоятельство снижает эффективность отвода теплоты системой охлаждения от элемента РЭА. Целесообразным является предусмотреть необходимые конструктивные меры для уменьшения степени влияния этого эффекта на теплообмен в емкости с рабочим веществом.

Исследования в области повышения эффективности охлаждающих систем на основе плавящихся тепловых аккумуляторов в указанных направлениях на сегодняшний день недостаточны. Имеются лишь некоторые упоминания в периодической литературе.

Поэтому целью настоящей диссертационной работы является разработка и создание новых систем охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, основанных на совместном использовании плавящихся рабочих веществ и термоэлектрического метода охлаждения с возможностью уменьшения термического сопротивления плавящегося агента.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка системы охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, основанной на совместном использовании плавящихся рабочих веществ и термоэлектрического охлаждения, в которой снижено значение теплового сопротивления жидкой фазы вещества.

2. Разработать стенд для экспериментальных исследований процессов протекающих в рабочих веществах с различными теплофизическими характеристиками.

3. Разработка математической модели (ММ) системы охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями.

4. На основе проведенных исследований разработка новых типов устройств для теплоотвода и термостабилизации РЭА.

5. Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности ММ на практике.

6. Практическая реализация результатов работы.

В диссертационной работе при охлаждении элементов РЭА, работающих в режиме циклических тепловых воздействиях, используются конструктивные варианты, предусматривающие совместное применение систем теплоотвода с плавящимися рабочими веществами и термоэлектрических модулей (ТЭМ), позволяющие обеспечивать необходимый температурный режим электронной техники с повторно-кратковременными тепловыделениями с достаточно низкой скважностью. Причем рассматривается вариант, когда в системе охлаждения применяются несколько рабочих наполнителей, отличающихся температурами плавления.

Изучение процессов, происходящих в охлаждающих устройствах, связано с исследованием процессов плавления и затвердевания плавящегося рабочего вещества. Их анализ проводится по модели, описываемой задачей Стефана. Для изучения процессов теплообмена при фазовых переходах, происходящих в рабочем веществе, используется приближенный метод, основанный па замене истинных температурных кривых их приближенными аналогами, предложенный Л. С. Лейбензоном. С помощью интегрального метода система уравнений с частными производными сводится к системе двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, что значительно упрощает метод решения и во много раз уменьшает объем вычислительной работы.

Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для охлаждающих систем на специально созданном стенде в соответствии с разработанными методиками проведения испытаний.

В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:

1. Охлаждение элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями системой теплоотвода, включающей в себя несколько плавящихся наполнителей, расположенных друг над другом в горизонтальной плоскости и имеющих различную температуру плавления, повышающуюся в направлении к плоскости установки элементов РЭА, в которой для интенсификации процесса охлаждения и затвердевания рабочего вещества используется ТЭБ.

2. Обобщение ММ расчета температурного режима элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, при охлаждении их системой теплоотвода, содержащей несколько плавящихся веществ с различными температурами плавления, в которой для интенсификации процесса охлаждения и затвердевания рабочего вещества используется ТЭБ.

Практическая значимость выполненных исследований состоит в разработанных теоретических основах систем охлаждения элементов РЭА на базе полученных в работе обобщенных уравнений, учитывающих характеристики охлаждаемых объектов, плавящихся веществ, ТЭБ, а также параметры среды. Определена методика для всестороннего анализа работы теплоотводящих систем, а также влияния характеристик охлаждаемого объекта и других факторов на их энергетические и технико-экономические показатели. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать практические рекомендации по использованию теплоотводящих систем при различных условиях эксплуатации с учетом тепловых нагрузок, массогабаритных характеристик и других показателей для объектов РЭА.

Полученные результаты исследований нашли практическое применение в различных организациях и предприятиях электронной промышленности. Внедрение разработанных устройств и систем на предприятиях позволило достичь существенного экономического эффекта.

Диссертация подводит итог комплексу исследований, выполненных автором за последние 6 лет в Дагестанском государственном техническом университете.

Выводы.

В результате проведенных экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Температура элемента РЭА сильно зависит от его мощности рассеяния, что подтверждено экспериментом. Так, увеличение мощности нагревателя с 12 до 28 Вт повышает его температуру примерно на 40 °C через 3 ч. Соответственно повышается и скорость плавления вещества, а также продолжительность его полного плавления — увеличение теплоты рассеяния с 5 до 30 Вт снижает время полного плавления рабочих агентов с 5,2 до 1,3 ч.

2. При использовании в теплоотводящей системе нескольких рабочих веществ снижает температуру элемента РЭА. Применение двух наполнителей (воска и парафина) вместо одного (воска) при изменении мощности рассеяния с 15 до 28 Вт снижает температуру элемента РЭА в среднем на 20−22 °С.

3. Длительность полного плавления одного и двух наполнителей отличается незначительно и при диапазоне мощностей рассеяния от 5 до 30 Вт не превышает 10−15 мин.

4. Согласно полученным зависимостям увеличение тока питания ТЭБ, соответствующее повышению теплового потока, при затвердевании рабочего вещества позволяет в значительной степени снизить время «паузы» в работе тепловыделяющего элемента РЭА. Графики показывают, что в случае, рассмотренном в опыте, повышение тока питания ТЭБ с 3 до 7 А, что соответствует увеличению холодопроизводительности с 40 до 70 Вт, позволяет сократить это время с 55 до 27 мин.

5. Эксперимент подтвердил возможность уменьшения продолжительности остывания и затвердевания рабочих веществ при использовании дополнительной ТЭБ. При использовании базовой ТЭБ с током питания 4 А и дополнительной ТЭБ с током питания 4, 5 и 6 А время полного затвердевания вещества сокращено соответственно до 24, 21 и 19 мин.

6. Для снижение времени охлаждения тепловыделяющего элемента при использовании ТЭБ не требует больших затрат электрической энергии. Для уменьшения времени затвердевания вещества до 27 мин для питания ТЭБ требуется не более 130 Вт.

7. результаты экспериментальных исследований подтвердили правомочность разработанной математической модели. Отличие расчетных данных от экспериментальных не превышают 7−8 процентов на всем диапазоне измерений.

4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЙ.

4.1. Конструкции устройств охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений.

В радиоэлектронном приборостроении существует целый класс РЭА, в процессе своей эксплуатации подвергающейся однократным или повторно-кратковременным «пиковым» тепловым нагрузкам [59, 60]. Такого рода тепловые нагрузки возникают при резком возрастании собственного тепловыделения элементов РЭА, при кратковременном воздействии на аппаратуру внешних тепловых потоков и ряда других факторов. При воздействии пиковых тепловых нагрузок аппаратура, как правило, не успевает выйти в стационарный тепловой режим, поэтому для создания оптимальной по массе и габаритам системы охлаждения, а следовательно, и аппаратуры в целом необходимо использовать теплоаккумулирующую способность конструкции или применять специальные средства отвода теплоты, с помощью которых можно обеспечить снижение скорости ее разогрева и стабилизацию температурного режима наиболее мощных тепловыделяющих элементов РЭА.

Для поглощения теплоты, выделяющегося при повторно-кратковременных включениях аппаратуры, целесообразно применять обратимые процессы, которые сопровождаются значительными эндотермическими эффектами при фазовых или химических превращениях рабочих веществ.

В лаборатории полупроводниковых термоэлектрических приборов и устройств Дагестанского государственного технического университета разработаны устройства, позволяющие использовать систему охлаждения с плавящимися веществами при незначительных промежутках времени в перерывах работы циклически работающей аппаратуры, а также повысить эффективность системы охлаждения.

В качестве базового взято устройство описанное в [2], которое содержит полое металлическое основание для размещения охлаждаемых радиоэлементов, заполненное плавящимся наполнителем, основание снабжено металлическими перегородками, установленными параллельно плоскости установки охлаждаемых элементов, и разделяющими его внутреннюю полость на изолированные отсеки, заполненные плавящимися наполнителями с различными температурами плавления и расположенные в порядке возрастания температур плавления их плавящихся наполнителей в направлении к плоскости установки охлаждаемых радиоэлементов. При эксплуатации радиоэлементов основная часть рассеиваемого ими теплоты поглощается за счет скрытой теплоты плавления наполнителя. После окончания работы радиоэлементов происходит остывание наполнителя и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой.

Особенностью охлаждающего устройства такого типа является значительное превалирование длительности перерыва между включениями радиоэлементов над временем работы радиоэлементов в «пиковом» режиме, что является существенным недостатком при необходимости отвода теплоты от радиоэлементов с незначительным временем перерыва в работе.

Для устранения указанного недостатка разработано устройство, конструкция которого показана на рис. 4.1, а внешний вид нарис.4.2 [21].

Устройство состоит из тонкостенной металлической емкости 1, разделенной металлическими перегородками 2, расположенными параллельно плоскости размещения охлаждаемых радиоэлементов 3, на изолированные отсеки, заполненные плавящимися наполнителями 4 с различными температурами плавления. Температура плавления наполнителей 4 возрастает в направлении к плоскости установки охлаждаемых радиоэлементов 3. К плоскости металлической емкости 1, противоположной размещению охлаждаемых радиоэлементов 3, припаяна своим первым спаем ТЭБ 5, приведенная своим вторым спаем в тепловой контакт с радиатором 6. В связи с тем, что в процессе работы наполнители 4 изменяют свой объем, в конструкции устройства предусмотрена компенсация изменения объема с помощью компенсирующих трубок 7.

Работа прибора осуществляется следующим образом. Тепло, поступающее от элемента РЭА 3, передается металлической емкости 1 и через поверхность соприкосновения рабочему веществу 4. Далее одновременно происходит прогрев рабочего вещества 2 то температуры плавления и процесс плавления. Температура оболочки металлической емкости 1 и, соответственно, элемента РЭА 3 не будет существенно возрастать по сравнению с температурой плавления верхнего рабочего наполнителя 4 пока существуют обе фазы (твердая и жидкая). После окончания цикла работы элемента РЭА 3 происходит остывание наполнителей 4 и их затвердевание за счет отвода теплоты ТЭБ 5, работающей в режиме охлаждения. Уменьшение времени затвердевания наполнителей 4 в этом случае достигается за счет увеличения интенсивности теплоотвода.

Важной особенностью устройства является возможность применения его в случаях меняющегося значения длительности «паузы» в работе РЭА. В этом случае изменения скорости затвердевания рабочего вещества можно добиться изменением величины тока, питающего ТЭБ. При этом имеет смысл рассчитывать ТЭБ не на предельную, наиболее «тяжелую» скорость охлаждения, а на какую-то среднюю, при которой среднее потребление мощности по времени работы при различных температурах будет минимальным. Пиковая, наиболее тяжелая нагрузка может компенсироваться увеличением тока и переходом к режиму максимальной холодопроизводительности.

Для увеличения скорости охлаждения и затвердевания наполнителей разработана модификация описанного выше прибора [22]. Конструкция прибора представлена на рис. 4.3.

7 3 1.

Рис. 4.1. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений.

Рис. 4.2. Внешний вид устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений.

Отличие данного устройства от приведенного на рис. 4.1−4.2 состоит в том, что перегородки 2 выступают за боковые поверхности металлической емкости 1 и приведены в тепловой контакт с теплопоглощающими спаями ТЭМ 5, образующих верхние каскады каскадной ТЭБ. ТЭМ 5 размещены на теплопоглощающем спае нижнего базового каскада 6 каскадной ТЭБ по краям. Центральная область нижнего базового каскада 6 каскадной ТЭБ теплопоглощающим спаем приведена в контакт с поверхностью металлической емкости 1, противоположной размещению охлаждаемых радиоэлементов 3. К тепловыделяющему спаю каскадной ТЭБ присоединен радиатор 7. Кроме этого наличие компенсационных трубок не предусмотрено.

Использование каскадной ТЭБ в предлагаемом исполнении позволит интенсифицировать процесс охлаждения и затвердевания наполнителей 4. Основной отвод теплоты от металлической емкости 1 с наполнителями 4 осуществляется нижним базовым каскадом 6 каскадной ТЭБ. ТЭМ 5, образующие верхние каскады каскадной ТЭБ создают дополнительный теплосъем для интенсификации процесса охлаждения наполнителей 4.

Ни рис. 4.4 в дополнение к устройству, соответствующему рис. 4.3 представлен охлаждающий прибор, где-предусмотрено использование отсеков разных объемов и их непосредственное сопряжение с каскадами ТЭБ.

Для повышения интенсивности затвердевания наполнителей также может быть использован теплосъем ТЭБ с боковой поверхности емкости (рис. 4.5). При этом элементы РЭА размещаются на двух противоположных торцевых поверхностях контейнера.

При этом количество отсеков — нечетное, а температура плавления наполнителей 4 возрастает от отсека, расположенного посередине емкости 1, в направлении к плоскости установки охлаждаемых элементов РЭА 3. Таким образом, температура плавления наполнителя, находящегося в отсеке, расположенном посередине емкости 1, наименьшая.

1|1*1||[||1 шиш т.

3 1.

ШшЩ А.

1в1в8!1в11!|||||В!1В111 310|||8|е111|||||^Я||{|||д1в[111!191.

Источник электроэнергии.

Рис. 4.3. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений с дополнительным теплосъемом за счет использования каскадной ТЭБ.

Источник электроэнергии.

Рис. 4.4. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений с дополнительным теплосъемом за счет использования каскадной ТЭБ и переменным объемом перегородок.

Рис. 4.5. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений с дополнительным боковым теплосъемом.

Рис. 4.6. Конструкция термоэлектрического холодильника для транспортировки проб сельскохозяйственной продукции.

Рассмотренная в диссертационной работе схема отвода теплоты от элементов радиоэлектронной и электронной техники также применима и в случае ее использования для портативной, т. е. переносной аппаратуры [31]. Автором разработан макет переносного термоэлектрического холодильника для транспортировки различных проб, в частности проб сельскохозяйственной продукции, в котором отвод теплоты от ТЭБ производится за счет применения плавящихся наполнителей. Конструкция холодильника приведена на рис. 4.6. Холодильник имеет рабочую камеру 1 в виде красномедпого стакана. Своей торцевой частью камера через тонкую полиэтиленовую пленку с хорошим тепловым контактом сопрягается с холодными спаями ТЭБ 2. тепло с горячих спаев ТЭБ отводится на коллектор 4, представляющий собой полый контейнер, выполненный из алюминия, разделенный на отсеки и заполненный наполнителями, температура плавления которых возрастает к плоскости установки ТЭБ. В местах сопряжения батареи с коллектором для исключения электрического контакта последний покрыт тонким слоем окиси алюминия. Отвод теплоты от коллектора горячих спаев ТЭБ осуществляется системой из нескольких ребер воздушного радиатора, выполненного также из алюминия. При наличии источника электрического тока в конструкции может быть использован вентилятор 3. Рабочий объем холодильника окружен слоем теплоизоляции из пенопласта и снаружи защищен металлическим чехлом.

4.2. Рабочие вещества для охлаждающих устройств.

Выбор веществ, применяемых для охлаждения аппаратуры, работающей в повторно-кратковременных тепловых режимах, определяется условиями ее эксплуатации, а именно: температурой окружающей среды, требуем уровнем температур тепловыделяющих элементов, величиной рассеиваемой мощности, количеством и частотой включения, конструктивными особенностями аппаратуры. Рабочие вещества необходимо выбирать исходя из условий, что температура фазовых или химических превращений должна быть на несколько градусов выше, чем максимально возможная температуры окружающей среды. Температура окружающей среды обычно не превышает 40 — 50 °C. Максимально допустимая температура большинства применяемых элементов РЭА во время их работы находится в диапазоне от 50 до 150 °C. Рабочие вещества должны удовлетворять следующим основным требованиям: необходимой температурой плавления (затвердевания), обеспечивающей надежную работу элемента РЭА во всем диапазоне изменения температуры окружающей средывысокой теплотой фазовых превращенийнадежной обратимостью при многократных превращенияхвысокой температуропроводностью жидкой и твердой фазстабильностью температуры плавления и затвердевания при многократных фазовых превращенияхминимальным изменением объема при переходе из одного фазового состояния в другоесовместимостью и стойкостью к окислению с конструкционными материаламинезначительным однофазным и двухфазным переохлаждениемодинаковым составом жидкой и твердой фазнизкой электропроводностьюмалой токсичностьювзрывои пожаробезопасностью.

Перечисленным выше требованиям к рабочим веществам удовлетворяют в большей или меньшей степени однокомпонентные вещества и эвтектики, в том числе ряд органических соединений, некоторые металлы и их эвтектики и кристаллогидраты. Первые краткие сведения об использовании плавящихся веществ для целей охлаждения были представлены в монографии Е. А. Коленко [57]. Плавящиеся вещества были применены для отвода теплоты от горячих спаев термоэлектрических приборов. Эти сведения в процессе исследований были дополнены рядом новых данных [34, 35, 60, 83]. Перечень некоторых рабочих веществ, которые могут быть использованы для целей отвода теплоты и термостабилизации, приведен в табл.4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы решена важная научно-прикладная проблема, связанная с организацией отвода теплоты, охлаждением и управлением режимами работы электронных устройств, работающих при повторно-кратковременных тепловых нагрузках.

Предложена и исследована система охлаждения элементов РЭА, в своей работе подвергающихся циклическим тепловым воздействиям, основанная на совместном использовании плавящихся рабочих веществ и термоэлектрического метода охлаждения с возможностью уменьшения термического сопротивления плавящегося агента. Уменьшение термического сопротивления между элементом РЭА и границей раздела фаз, где происходит поглощение теплоты за счет изменения агрегатного состояния вещества, достигнуто за счет применения нескольких наполнителей, расположенных друг над другом в горизонтальной плоскости и имеющих различную температуру плавления, повышающуюся в направлении к плоскости установки элементов РЭА. ТЭБ в данной системе использована для интенсификации процесса затвердевания наполнителей, что позволило обеспечить необходимый температурный режим импульсной электронной техники с низкой скважностью.

Создана соответствующая ММ расчета температурного режима элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, при охлаждении их разработанной системой теплоотвода. Исследование системы охлаждения элементов РЭА проводились по модели, описываемой «задачей Стефана». На основе расчетов получены данные о значении температуры оболочки охлаждающего устройства и, соответственно, электронного устройства, а также координаты границы раздела фаз в зависимости от времени для различных веществ при их плавлении и затвердевании. Результаты расчетов подтвердили эффективность применения в охлаждающей системе нескольких наполнителей. Расчет значений температуры электронного устройства и координаты границы раздела фаз в наполнителях при их затвердевании проводился при условии как естественного теплообмена с окружающей средой, так и в случае использования для охлаждения рабочих агентов ТЭБ. Расчеты показали целесообразность применения ТЭБ для интенсификации процесса охлаждения и затвердевания рабочих веществ в случае отвода теплоты от элементов импульсной РЭА с достаточно низким значением скважности.

Экспериментальные исследования охлаждающей системы подтвердили правомочность разработанной ММ. Отклонения между расчетными данными и результатами экспериментов не превышали 11% на всем диапазоне измерений.

На основе проведенных исследований разработаны ТЭУ для охлаждения РЭА и ее элементов. Ряд методик и рекомендаций по использованию охлаждающих устройств внедрены в производство и нашли практическое применение в организациях и предприятиях.

Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании устройств для отвода теплоты РЭА. Необходимость продолжения работ в этом направлении подтверждается включением их в российские и республиканские государственные научно-технические программы.