Тепловой режим РЭА

1 Расчетно-теоретическая часть

1.1 Вопросы теплообмена в радиоэлектронной аппаратуре

1.1.1 Тепловые режимы РЭА

В электронных  средствах (ЭС) только часть поступившей  электрической энергии преобразуется в полезный сигнал. Так, трансформаторные блоки питания имеют коэффициент полезного действия около 60 -70 %, импульсные – до 95 %, усилители мощности в зависимости от их класса – от 30 до 85%. Это приводит к тому, что внутри ЭС значительная часть подводимой энергии превращается в тепло. Электронные средства представляют собой систему многих тел с внутренними источниками тепла. Температурное поле блока зависит от мощности и распределения источников тепла, конструкции, режима работы ЭС и его системы охлаждения, геометрических параметров, физических свойств материалов несущих конструкций, условий его эксплуатации.

Тепловые режимы радиоэлектронных аппаратов (РЭА) в  значительной степени определяют надежность их работы. Микроминиатюризация устройств электроники привела к необходимости еще больше обращать внимание на тепловые режимы аппаратуры. В связи с этим в многочисленных научно-исследовательских институтах и заводах радиотехнического профиля организованы группы, лаборатории и отделы для обеспечения нормальных тепловых режимов вновь проектируемой аппаратуры.

Исследования  тепловых режимов радиоэлектронных устройств выдвинули также новые проблемы в области теории теплопроводности. С позиции теплофизики радиоэлектронный аппарат представляет собой систему многих тел с источниками и стоками энергии, сложным образом распределенных в пространстве и во времени. В редких случаях температурное поле такой системы можно описать с помощью простейших математических моделей однородных тел (цилиндр, шар, пластина, полупространство и т.д.) которые хорошо изучены в теории теплопроводности. Поэтому лицам, занимающимся исследованием тепловых" режимов РЭА, приходится решать не только конкретные инженерные задачи, но и искать общие закономерности, управляющие пространственно-временным изменением температурного поля в сложной системе тел. Определение таких закономерностей имеет не только научное, но и практическое значение: в системах многих тел с источниками и стоками энергии количество комбинаций размеров, форм, свойств тел и т. п. настолько велико, что эмпирические поиски приемлемого варианта конструкции становятся экономически неоправданными. Заметим, что сложные системы тел встречаются не только в радиоэлектронике, но и в других областях приборостроения, например, в оптике, гироскопии, автоматике. Поэтому возрастает интерес инженеров - приборостроителей к теории теплообмена вообще и, в частности, к тем разделам теплопроводности, в которых изучаются сложные системы тел.

Совокупность  температур всех элементов, из которых  собран радиоэлектронный аппарат, т. е. его температурное поле, характеризует тепловой режим аппарата. Все элементы, из которых состоит аппарат, должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным; если выполняются два условия: 1) температура элемента в условиях эксплуатации заключена в пределах, ограничивающих диапазон температур, допустимых для данного элемента; 2) температура элемента такова, что будет обеспечена его работа с заданной надежностью (второе условие более общее). Выполнение второго условия для конкретного элемента может быть связано с необходимостью обеспечения заданных количественных характеристик его надежности, постоянства температуры во времени, устойчивости работы схемы и т. п. Тепловой режим аппарата считается нормальным, если для всех элементов, смонтированных в аппарате, выполняются сформулированные выше условия.

Если первое условие, определяющее понятие «нормальный  тепловой режим», применимо к аппаратуре различного функционального назначения, то второе условие необходимо формулировать для каждого вида аппаратуры, подчеркивая особенности режима ее работы.

Обеспечение нормального  теплового режима является одной  из главных задач, решаемых при проектировании аппаратуры. Для решения этой задачи принимается ряд мер: выбирают определенные типы элементов в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры; уменьшают мощности рассеяния элементов; вводят в аппаратуру специальные нагреватели, разогревающие ее при отрицательных температурах среды; применяют рациональное размещение элементов, узлов и блоков; выбирают форму и размеры отдельных конструктивных составляющих, термостатируют узлы и блоки, наконец, применяют специальные средства охлаждения отдельных элементов и аппаратуры в целом. Как правило, меры, применяемые для обеспечения нормального теплового режима элементов и аппаратуры, приводят к увеличению габаритных размеров, необходимости установки дополнительного оборудования, перерасходу электроэнергии, увеличению веса и усложнению конструкции. Поэтому очень важно технически грамотно обосновать применяемые меры. Конструктор должен найти оптимальное решение, компромиссное между необходимостью обеспечить нормальный тепловой режим элементов и недопустимостью увеличения потребления энергии, веса, габаритов и т. д. Обоснование мер по охлаждению аппаратуры может быть получено путем расчета ее тепловых режимов или экспериментирования на тепловых и реальных макетах РЭА. Решение задач, связанных с обеспечением нормального теплового режима аппаратуры, должны выполнять специалисты, обладающие знаниями в области теплофизики и конструирования радиоэлектронной аппаратуры.

1.1.3 Анализ теплового режима РЭА

При изучении теплового режима ЭС задача формулируется в следующем виде: найти температуру t_i какой-либо j-ой области (точки, поверхности или объема) аппарата в зависимости от времени и суммарной мощности W источников тепла, действующих в аппарате, при заданных условиях его эксплуатации, т.е.

t_i = t_i (τ; w). (1.1)

Температуру t_i можно представить как сумму температуры t_c среды, окружающей блок, и перегрева Θ_j по отношению к температуре среды, возникающего в результате действия всех источников тепла, сосредоточенных в блоке. Для того чтобы выделить влияние источников тепла на тепловой режим j-й области блока, зависимость (1.1) удобно представить в следующем виде:

Θ_j = t_j - t_c = Θ_i (τ; w). (1.2)

В установившемся тепловом режиме перегрев Θ_ј не зависит от времени, т.е.

Θ_ј = Θ_ј (w).   (1.3)

Зависимость перегрева Θ_ј от суммарной мощности w всех источников тепла, действующих в блоке, называется тепловой характеристикой ј-ой области аппарата.

Исследование тепловых режимов  ЭС сводится к экспериментальному или  аналитическому определению вида зависимостей (1.2) или (1.3) и состоит из следующих основных этапов:

1) определение класса  изучаемого блока;

2) построение тепловой  модели рассматриваемого класса;

3) построение математической  модели теплового режима блока  и ее решение;

4. оценка точности решений.

1.1.4 Определение класса радиоэлектронного аппарата

Класс объединяет радиоэлектронные аппараты, имеющие общие конструктивные признаки и одинаковую физическую основу протекания процессов теплообмена.

Существенное влияние  на процессы теплообмена в аппаратах  оказывают конструкции их корпусов. Возможные конструкции корпусов целесообразно разделить на герметичные, вентилируемые и снабженные специальными теплообменниками.

Герметичные корпуса. Общим признаком ЭС в герметических корпусах является практическое отсутствие воздухообмена между окружающей средой и внутренним объемом корпуса. Герметичные корпуса применяются в условиях, когда необходимо защитить ЭС от воздействия влаги, радиации, проникновения пыли, обеспечить работу в условиях пониженного давления

Вентилируемые корпуса. Корпуса вентилируемых ЭС снабжаются различными устройствами, обеспечивающими естественный или принудительный воздухообмен между окружающей средой и внутренним объемом корпуса.

Конструкции ЭС с  теплообменниками. При жидкостном, испарительном, кондуктивном и комбинированном охлаждении ЭС их корпуса оснащаются теплообменниками, конструкция и режим работы которых существенно влияет на тепловой режим аппарата.

Характер процесса теплообмена  в радиоэлектронных аппаратах в  большой степени зависит от структуры нагретой зоны.

Нагретой зоной называют часть объема блока, шасси или электронных модулей со смонтированными на них элементами. Всевозможные нагретые зоны блока можно условно разделить на три группы.

К первой группе относят  нагретые зоны, в которых сравнительно крупные элементы (трансформаторы, дроссели, конденсаторы и т.п.) крепятся на металлическом шасси.

  Ко второй группе относятся нагретые зоны, в которых микросхемы и другие элементы, входящие в состав конструкции, крепятся к платам  из электроизоляционного материала. Количество плат в таких нагретых зонах может быть достаточно большим.

Наконец, к третьей группе относятся нагретые зоны, в которых  отсутствуют ясно выраженные платы или шасси, и элементы расположены в объеме корпуса хаотично.

Если нагретая зона блока  содержит шасси или платы, то условия  теплообмена внутри аппарата существенно зависят от их ориентации (горизонтальное или вертикальное расположение, наличие каналов для циркуляции воздуха).

Таким образом, при определении  класса радиоэлектронного аппарата учитываются следующие признаки:

1) способ охлаждения корпуса  блока;

2) способ охлаждения нагретых  зон;

3) количество и конструктивные  особенности нагретых зон.

Например, в один класс  можно выделить ЭС, у которых нагретая зона состоит из совокупности плат с элементами, расположенными в герметичном  корпусе. К другому классу отнести  радиоаппараты с общей принудительной вентиляцией, нагретая зона которых  представляет собой шасси с расположенными на нем элементами. Заметим, что при определении класса функциональное назначение ЭС (приемник, передатчик, усилитель и т. д.) не учитывается.

1.1.4.1 Способы охлаждения

Более подробно следует рассмотреть сами способы охлаждения радиоэлектронных средств и определиться с основными понятиями в этой области.

В большинстве случаев  для охлаждения аппаратуры необходимо усложнять конструкцию аппарата. Совокупность устройств и конструктивных элементов, применяемых для охлаждения, назовем системой охлаждения аппарата. Используемые в радиоэлектронной аппаратуре системы охлаждения разделим на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные.

Воздушными называют такие системы охлаждения, в которых в качестве теплоносителя используется воздух. В жидкостных системах охлаждения теплоносителем являются различные капельные жидкости, не доведенные до кипения. Испарительными называют системы охлаждения, в которых используют кипящие жидкости. При кондуктивной системе охлаждения отвод тепла от нагретых частей аппаратуры осуществляется за счет теплопроводности. При этом нагретые и холодные части аппарата находятся в непосредственном контакте или соединены специальными металлическими проводниками. К кондуктивному может относиться охлаждение при помощи термоэлектрических устройств. Наконец, в комбинированных системах охлаждения аппаратуры применяются различные сочетания перечисленных выше систем.

Рис 1.1 Системы охлаждения

а – воздушное, б –  жидкостное, в – испарительное, г – кондуктивное.

В зависимости от характера  контакта теплоносителя и источника тепла различают системы охлаждения прямого и косвенного действия. В системах охлаждения прямого действия теплоноситель непосредственно омывает поверхности источников тепла. В системах охлаждения косвенного действия источник тепла и поверхности теплообмена разделены различными конструктивными элементами, выполняющими роль проводников тепла, так называемых тепловых мостов.

Системы охлаждения радиоэлектронной аппаратуры разделяют на системы общего и локального (местного) охлаждения. При общем охлаждении производится охлаждение всех элементов аппаратуры, при локальном — отдельных наиболее нагруженных или наименее термостойких радиодеталей и узлов.

Воздушные, жидкостные, испарительные  и комбинированные системы охлаждения могут быть спроектированы по разомкнутому или замкнутому циклам. В системе, организованной по разомкнутому циклу, отработанный (нагретый) теплоноситель удаляется из системы и больше не используется. Во втором случае нагретый теплоноситель охлаждается и вновь поступает в систему охлаждения. Для охлаждения теплоносителя применяются теплообменники.

Системами охлаждения с промежуточным теплоносителем называют такие системы, в которых тепловая связь между теплоносителем, омывающим источники тепла, и окружающей средой осуществляется при помощи дополнительного контура, в котором протекает промежуточный теплоноситель.

Эффективность того или иного способа охлаждения определяется интенсивностью протекающих процессов теплообмена. При этом чем интенсивнее теплообмен, тем эффективнее способ охлаждения. Как известно, интенсивность теплообмена определяется величиной коэффициента теплообмена. Ниже приведены ориентировочные значения этих коэффициентов в Вт/(м²*град) для различных видов теплообмена

Таблица 1.1 - Эффективность  различных видов охлаждения

Заметим, что электронный  аппарат представляет собой сложное  устройство, в котором механизм переноса тепла через различные части конструкции неодинаков. В связи с этим и коэффициенты теплообмена могут иметь разные значения.

Однако для суждения о  тепловом режиме РЭА и эффективности  выбранного способа охлаждения знания только коэффициентов теплообмена недостаточно. Необходимо провести, кроме того, анализ переноса тепла в РЭА и выбрать иные критерии эффективности способов охлаждения, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

1.1.5 Методы теплового моделирования.

Цель исследования теплового  режима РЭА состоит в определении температурного поля аппарата с учетом влияния различных конструктивных и физических параметров. При исследовании тепловых режимов РЭА следует придерживаться определенной последовательности. Исследование начинается с выявления признаков, определяющих класс изучаемого аппарата. Следующим этапом исследования является определение тепловой модели рассматриваемого класса аппаратов.

Как отмечалось выше, РЭА  можно рассматривать, как систему  многих тел с сосредоточенными источниками  тепловой энергии. Анализ температурных полей таких систем является весьма сложной задачей, решение которой выполняется приближенными методами. Исследователь пытается установить количественную зависимость между температурой ограниченного числа наиболее ответственных мест аппарата и существенными факторами, влияющими на процесс теплообмена. При экспериментальном решении задачи эта работа может проводиться непосредственно на радиоэлектронном аппарате. Аналитическое решение исключает такой подход, так как тепловые процессы в реальной конструкции аппарата, как правило, не поддаются математическому описанию из-за наличия большого числа основных и второстепенных факторов, влияющих на процесс. Поэтому необходим переход к тепловой модели РЭА.

Существует два основных метода теплового моделирования: метод  изотермических поверхностей и метод однородного тела.

1.1.5.1 Метод однородного  тела

Данный метод подразумевает  расчленение всего блока на условно  изотермические участки. Например, условно изотермическими поверхностями в одноблочном аппарате с кожухом можно считать поверхность кожуха с определенной средней температурой и поверхность нагретой зоны внутри аппарата, заключающей поверхности элементов и части шасси, имеющей тоже некоторую среднюю температуру. На рисунке 1.2а показано распределение температур внутри одноблочного аппарата (в одном сечении), на рисунке 1.2б - его тепловая модель с двумя изотермическими поверхностями (кожуха и нагретой зоны). Примеры построения тепловой модели блока кассетной конструкции даны на рисунке 1.2в, г. На рисунке 1.2г каждая плата с деталями представляется в виде пластины с равномерно распределенным источником тепла мощностью w_і и равномерным полем температуры t_і.

В этом случае информация о  тепловом режиме становится более полной: тепловая модель дает возможность определить не только среднюю температуру внешней поверхности нагретой зоны в корпусе, но и средние значения температур каждой платы.

Для еще большего расширения информационных возможностей тепловой модели можно произвести более подробную разбивку нагретых зон, отражающую изменение мощности источников энергии по высоте платы или неодинаковые условия теплообмена отдельных частей плат (рисунок 1.2д).

Процессы переноса тепла  в тепловых моделях, построенных  по методу изотермических поверхностей, рассматриваются так, как если бы они протекали между изотермическими поверхностями.

Рис 1.2 – Тепловые модели блока

а – распределение температур внутри блока; б – изотермическая модель блока;

в – блок кассетной конструкции; г – представление кассет в виде изотермических пластин;

д – разбиение изотермических пластин на зоны; е – модель однородного тела

1.1.5.2 Метод однородного  тела

Данный же метод подразумевает  представление системы тел, включающей несколько неоднородных тел, в виде условно монолитного теплового тела с постоянными теплофизическими параметрами и непрерывным полем температур (рисунок 1.2.е). Свойства этого тела характеризуются эффективными значениями коэффициентов теплопроводности λ и теплоемкости С. Такой метод моделирования применим к ЭС, содержащим большое число одинаковых в конструктивном отношении функциональных узлов (моделей, микромодулей, микросхем и т.п.), повторяющихся во всех трех измерениях.

При этом считают, что как  геометрические, так и теплофизические  свойства системы периодически повторяются, т.е. система обладает дальним порядком. В такой системе существует возможность выделить наименьший  объем,  называемый  элементарной  тепловой  ячейкой (например модуль, микромодуль, микросхему), многократное повторение которого воспроизводит исходную систему. Определение эффективных коэффициентов теплопроводности по трем направлениям для нагретой зоны радиоаппарата сводится к определению аналогичных величин для элементарной ячейки и распространению их на всю систему. Дальнейший тепловой расчет основан на решении краевых задач для уравнения теплопроводности в области, соответствующей эквивалентному однородному телу.

Информационные возможности  тепловой модели ЭС, полученной по методу однородного тела, весьма велики, т.е. ее исследование позволяет получать аналитическое выражение для температур нагретой зоны.

1.1.6 Математическая модель  теплового режима блока и оценка  её точности

Основное требование к  математической модели теплового режима ЭС - адекватность изучаемому явлению  и реализуемость. Для этого условия  перехода от тепловой модели к математической должны быть четко сформулированы и обоснованы.

В большинстве случаев  математическая модель теплового режима ЭС представляется в виде уравнений, описывающих температурное поле модели. Решение этой системы может  быть получено аналоговыми методами, численными методами или аналитически. Выбор метода решения требует в каждом случае обоснования.

При аналоговом или численном  решении задачи производится последовательное изучение различных частных реализаций математической модели, отличающихся численными значениями исходных параметров. Для обобщения результатов исследования частных случаев и предоставления их в компактной графической или аналитической форме требуется применение определенных, иногда сложных, приемов.

При аналитическом решении  задач окончательное выражение, определяющее температурное поле тепловой модели, получается в общем виде и содержит гораздо большую информацию об изучающем явлении, чем численные данные для конкретного частного случая.

Допущения, принятые при  переходе от реального ЭС к тепловой модели и неизбежные упрощения при  построении и решении математической модели, вносят в решение задачи о тепловом поле погрешности. Поэтому, как правило, полученное решение требует экспериментальной проверки. Этот этап исследования может быть выполнен на определенном количестве реальных объектов либо специально изготовленных тепловых макетов. В ряде точек ЭС или их тепловых макетов производится измерение температуры в различных режимах работы. Одновременно в этих же точках по математической, тепловой модели находят расчетные значения температур и определяют относительное расхождение δ_ј(%) между результатами расчета и опыта, которые для удобства представляют в виде гистограммы распределения.

Если среднеквадратическое или предельное значение δ оказывается  допустимым для технических целей, то основную часть исследования можно считать законченной. Если же указанные значения неприемлемо велики или гистограмма оказалась несимметричной относительно оси ординат, что свидетельствует о систематических расхождениях результатов расчета и опыта, необходима корректировка тепловой или математической моделей ЭС.

1.2 Описание модели микроблока

1.2.1 Размеры и другие  параметры макета

Лабораторная установка  состоит из теплового макета микроэлектронного блока, электронного термометра и источников питания. Общий вид макета микроэлектронного блока приведен на рисунке 1.3. Блок выполнен на пяти функциональных ячейках, на каждой из которых размещено по двенадцать тепловых изделий в виде бескорпусных  гибридных интегральных микросхем, выполненных на подложках размером 24×20 мм из ситалла СТ-50. Тепловыделяющими элементами микросхемы являются установленные на подложке резисторы типа ТВО-0,5 - 200 Ом ± 20%. Крепление резисторов к подложке и микросхемы к теплоотводящей планке корпуса ячейки осуществляется эпоксидным клеем ЭД-5.

      Корпус  ячейки с габаритными размерами  154×91×6 мм изготовлен фрезерованием  из алюминиевого сплава Д16. Коммутационная  печатная плата функциональной ячейки выполнена из фольгированного стеклотекстолита СФ1-35 толщиной 1,5 мм и крепится к корпусу ячейки эпоксидным клеем ЭД-5. Печатные проводники обеспечивают параллельное электрическое соединение резисторов, установленных на одной подложке, и смешанное соединение микросхем, при котором суммарное входное сопротивление ячейки составляет 120 Ом, а суммарное входное сопротивление блока 24 Ом. Печатная плата и микросхемы покрыты лаком УР231.

Функциональные ячейки, входящие в состав микроблока, собираются в  пакет и стягиваются шестью латунными  винтами М4×40. Для исключения электрического контактирования печатных проводников и корпуса соседней ячейки, между ячейками поставлены стальные шайбы с размерами 4,3×9×0,8 мм. В результате собранный пакет функциональных ячеек имеет размеры 154×91×33,2 мм.

Крепление пакета к основанию  корпуса микроблока производится с  помощью скоб, изготовленных из листового материала Д16 толщиной 1,5 мм, соединенных с основанием заклепками. Стойки скобы имеют высоту 15 мм, длина горизонтальной площадки, контактирующей с основанием корпуса, составляет 34 мм. Ширина скобы – 12 мм.

Основание корпуса микроблока и кожух изготовлены из алюминиевого сплава Д16 толщиной 1,5 мм.  Внешние размеры основания 168×48×10 мм, кожуха 170×100×50 мм. Тепловое контактирование основания корпуса и кожуха, осуществляется по полосе соединения, имеющей размеры 10×2(48 + 168) мм².

Рисунок 1.3 – Общий вид микроэлектронного блока

На основании корпуса  микроблока смонтирован разъем РП-10-15, контакты которого монтажными проводниками соединены с контактными площадками печатных плат функциональных ячеек. Включение ячеек в электрической схеме микроблока - параллельное. Входное сопротивление блока  – 24 Ом.

В кожухе микроблока выполнены  отверстия, позволяющие произвести измерение температуры в интересующих точках теплового поля микроблока. Измерение производится с помощью  термометра входящего в состав стенда, имеющего в своем составе выносную термопару для измерения температуры в диапазоне от – 20 до 1370° С.

Для питания микроблока используется источник напряжения с выходной мощностью не менее 30 Вт, входящий в состав лабораторного стенда.

1.2.2 Тепловая модель микроблока

Тепловая модель разрабатывается  с учетом наиболее существенных конструктивных особенностей микроблока и следующих дополнений:

- температура кожуха микроблока  принимается одинаковой по всей  поверхности и равной его среднеповерхностной температуре;

- тепло с поверхности  блока рассеивается в окружающую  среду путем естественной конвекции  и излучением;

- вследствие малой величины  воздушных зазоров между кожухом  и нагретой зоной, а также между элементами нагретой зоны, передача тепла от нагретой зоны к кожуху осуществляется теплопроводимостью через воздушные зазоры и элементы конструкции и излучением;

- нагретая зона микроблока  преобразуется в эквивалентное  однородное анизотропное тело  с эффективными значениями коэффициентов  теплопроводности λ_х , λ_у,,  λ_z  в направлениях X, Y, Z.

При переходе от реальной нагретой зоны микроблока к однородному телу в качестве элементарной тепловой ячейки можно взять функциональную ячейку, поскольку периодическое повторение геометрических и теплофизических свойств нагретой зоны непосредственно связано с функциональной ячейкой.

Расчет значений λ_х,, λ_у и λ_z нагретой зоны производится с помощью тепловых схем функциональной ячейки микроблока, отражающих процесс передачи тепла по направлениям X, Y и  Z . Направление осей координат показано  на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Конструкция теплоотводящего основания ячейки

Тепловая схема функциональной ячейки по оси Х дана на рисунке 1.5а, где символами σ_пп, σ_воз, σ_р, σ_пл , σ_под, σ_кор соответственно обозначены тепловые проводимости печатной платы, воздушных промежутков, рамки функциональной ячейки, теплоотводящей пленки, ситалловой подложки и керамических корпусов резисторов марки ТВО. Учитывая, что теплопроводность стеклотекстолита (λ = 0,15 ÷ 0,13 Вт/м·К) и воздуха (λ = 0,025 Вт/м·К) значительно меньше теплопроводности используемых в конструкции микроблока (алюминиевых сплавов λ = 160 ÷  180 Вт/м·К), тепловая схема может быть упрощена и приведена в виде рисунка 1.5б.