Общие сведения о тепловых режимах

ТЕМА 5.      ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ

Лекция 26.  Общие сведения о тепловых режимах.

Источниками тепла в РЭА являются различные устройства и отдельные детали. Электроэнергия, потребляемая радиодеталями, преобразуется в них в различные формы энергии: электромагнитную, механическую, тепловую. Часть преобразованной в радиодеталях энергии выходит за пределы устройства в виде энергии полезных сигналов, а вся остальная энергия превращается в тепло. Элементы и механические части конструкции ЭА могут нормально функционировать в ограниченном температурном режиме, т.е. обладают ограниченной термостойкостью.

¨Термостойкость – это способность материалов и элементов кратковременно или длительно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также резких изменений температуры (термоударов). Термостойкость определяют по началу существенных изменений свойств элементов и материалов или параметров, обусловленных различными физико-химическими процессами. Величину термостойкости оценивают диапазоном температур, на границах которого наступают указанные изменения. Например, кремниевые транзисторы имеют диапазон от 0 до 150°С, резисторы типа МЛТ – от 0 до 190°С.

Совокупность температур всех элементов, из которых собран ЭА, т.е. его температурное поле, характеризует тепловой режим устройства. Все элементы, из которых состоит устройство 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 надёжностью.

Существенное влияние на процессы теплообмена в устройствах оказывает конструкция их корпусов. Все возможные конструкции корпусов можно разделить на герметичные, вентилируемые и снабженные специальными теплообменниками.

Герметичные – это корпуса собственно герметичные, герметизированные, а также в пыле- и влагозащитном исполнении. Общим признаком таких корпусов является практически полное отсутствие воздухообмена между окружающей средой и внутренним объёмом корпуса.

Вентилируемые – корпуса, снабжённые различными устройствами, обеспечивающими естественный или принудительный воздухообмен между окружающей средой и внутренним объёмом корпуса.

Рекомендуемые материалы

Корпуса с теплообменниками – подразумевают жидкостное, испарительное, кондуктивное и комбинированное охлаждение элементов.

Одним из основных в теории тепловых режимов в РЭА является понятие о нагретой зоне аппарата.

Нагретой зоной называют часть объёма аппарата, занятого шасси или платами и смонтированными на них элементами. РЭА, состоящее из нескольких блоков, каждый из которых содержит шасси или платы с радиодеталями, ориентации в пространстве, способу охлаждения и тепловой нагрузке, могут рассматриваться как состоящие из нескольких нагретых зон. Деление аппаратов на однозоновые и многозоновые при исследовании их тепловых режимов определяется необходимостью учитывать тепловое влияние отдельных нагретых зон друг на друга. Простейшим примером РЭА, содержащих одну нагретую зону, могут служить бытовые радио приёмники и телевизоры, в которых большинство элементов установлено на одном шасси. Характер процессов теплообмена в РЭА в сильной степени зависит от устройства нагретой зоны аппарата. 

Все возможные нагретые зоны аппаратов можно отнести к трём группам. Первая группа – зоны со сравнительно крупными элементами (трансформаторы, конденсаторы и т.п.) крепятся на металлическом шасси. Ко второй группе отнесём нагретые зоны, в которых микроэлементы, микросхемы и узлы крепятся к печатным платам. Количество плат в таких нагретых зонах может быть достаточно большим. Наконец, к третьей группе отнесём такие нагретые зоны, в которых отсутствуют ясно выраженные платы или шасси, и элементы расположены в объёме корпуса хаотично.

Если нагретая зона ЭВА содержит шасси или платы, то условия теплообмена внутри аппарата существенно зависят от их ориентации в пространстве (вертикальной или горизонтальной).

Характер процессов теплообмена в нагретых зонах в сильной степени зависит от плотности компоновки элементов. При достаточно плотной компоновке конвекция в зазорах нагретой зоны развиться не может. В этом случае основными механизмами теплообмена внутри нагретой зоны становятся кондукция и излучение.   

По способу и типу протекания теплообмена все аппараты можно разделить на классы. При этом учитываются следующие особенности: 1) количество и конструктивные особенности нагретых зон; 2) способ охлаждения нагретых зон; 3) способ охлаждения корпуса аппарата.

Системы охлаждения в ЭВА по способам делятся на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные.

Воздушными называют такие системы охлаждения, в которых в качестве теплоносителя используется воздух. Они разделяются на естественное воздушное охлаждение, внутреннее перемешивание воздуха в объёме корпуса, естественную и принудительную вентиляцию, а также обдув наружной поверхности корпуса аппарата. При естественном воздушном охлаждении выделяющаяся в аппарате тепловая энергия конвекцией и излучением передаются корпусу аппарата и таким же путём рассеивается в окружающую среду. Естественная вентиляция осуществляется за счёт разности плотностей холодного снаружи и нагретого внутри аппарата воздуха при условии, что в его корпусе имеются специальные вентиляционные отверстия. Принудительную вентиляцию применяют, если естественная вентиляция не может обеспечить нормального теплового режима. Она делится на приточную, вытяжную и приточно-вытяжную.

Жидкостные системы охлаждения – системы, в которых теплоносителем являются различные капельные жидкости, не доведённые до кипения, а испарительными называют системы, в которых используют кипящие жидкости. Они делятся на системы с естественным охлаждением, термосифонные, с внутренним перемешиванием и с принудительной циркуляцией.

При кондуктивной системе охлаждения отвод тепла от нагретых частей осуществляется за счёт теплопроводности материалов и излучения. Кондукция, как механизм теплообмена играет определенную роль во всех рассмотренных выше системах охлаждения. Например, при воздушном охлаждении ЭА тепловые потоки от элементов достигают шасси или плат аппарата благодаря кондукции. Кондуктивный механизм теплообмена определяет перепады температур между источниками тепла и поверхностями охлаждения в жидкостных и испарительных системах косвенного действия. В кондуктивных системах охлаждения явление кондукции используется как основной механизм переноса тепла от источников к теплоприемникам.  Кондуктивное охлаждение часто применяется как метод локального охлаждения посредством радиаторов, термобатарей и т.п.

В комбинированной системе могут применяться различные сочетания перечисленных систем.

Эффективность того или иного способа охлаждения определяется интенсивностью протекающих процессов теплообмена. Интенсивность теплообмена определяется величиной коэффициента теплообмена (Вт/м²град).

Таблица  5.1.   Некоторые показатели коэффициента теплообмена.