Book5 (560507), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Рис. 5.49. Конструкция тепловой трубы

Тепловая труба (ТТ) — испарительно-конденсационное герметич-
ное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для пе-
редачи тепла и работающее по замкнутому ,циклу. Конструктивно пред-
ставляет собой герметичный объем, ограниченный корпусом трубы 1
(рис. 5.49), внутренняя поверхность которого выложена капиллярно-по-
ристой структурой, насыщенной смачивающей жидкостью. Капиллярно-пористая структура может быть реализована в виде
металлической сетки,спеченных гранулированных материалов ,металловолокна, стеклоткани и системы канавок на внутренней стенке корпуса. Смачивающая жидкость является теплоносителем, и в зависимости от уровня температуры в зоне источника тепла в качестве теплоносителя выбираются жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и др. При температурах свыше 750 К используются жидкие металлы, для
диапазона температур 550 К ≤Т ≤ 750 К — ртуть (высокотемпературные
ТТ). В области средних температур (200 К< Т<550 К) в качестве теп-
лоносителя применяются органические жидкости, вода (низкотемпера-
турные ТТ), при температурах ниже 200 К теплоносителем служат сжи-
женные газы (криогенные ТТ).

Тепловая труба делится на три зоны: испарительную а, транспорт-
ную б и конденсационную в. При подводе тепла к испарительной зоне
теплоноситель в этой части капиллярно-пористой структуры начинает
испаряться. Пары теплоносителя, пройдя транспортную зону, поступа-
ют в конденсационную зону, где в результате конденсации паров выде-
ляется тепло, а жидкость под действием капиллярных и гравитацион-
ных сил возвращается в зону испарения.

Таким образом, ТТ является элементом системы охлаждения, спо-
собным транспортировать тепло из одной части конструкции в другую

241

при минимальной разности температур между источником тепла и теплостоком. Другими словами, ТТ аналогична стержню, передающему тепло кондукцией, изготовленному из материалов с коэффициентом теплопроводности λ=10⁴Вт/(м•К). Высокая эффективность ТТ обеспечивается при условии, что в конденсационной зоне осуществляется отбор тепла, выделяемого при конденсации, с помощью теплообменника, а тепловые сопротивления между источником тепла и трубой в зоне испарения, а также между трубой и теплообменником в конденсационной зоне малы.

Тепловые трубы могут быть круглые, плоские, гибкие, Y-образные,
змеевидные и др. (рис. 5.50). В конструкциях РЭС тепловые трубы вы-
полняют следующие функции: снижение теплового сопротивления
между источником и стоком тепла; отвода тепла из труднодоступных
зон конструкций с высокой плотностью тепловых потоков; выравнива-

Рис. 5.50, Разновидности конструкции тепловых труб:
а — цилиндрическая; б — плоская; в — гибкая; г — змеевидная; д — Y-образная

ние тепловых потоков в пределах конструкции РЭС; сбор тепла от мно-
гих источников, расположенных в различных зонах конструкции, к единому стоку тепла, где созданы оптимальные условия теплообмена, и ДР.

Рис. 5.51. Охлаждение

теплонагруженного элемента

с помощью тепловой трубы:

1 — охлаждаемый элемент;

2 — радиатор; 3 —тепловая труба

242

Рис. 5.52. Вариант конструкции
функциональной ячейки

с тепловой трубой:

/ — плата с металлическим теплостоком;

2 — микросхемы; 3 — металлическая рамка;

4 — теплоприемник; 5 — тепловая труба

Пример использования ТТ для отвода тепла от теплонагруженного элемента приведен на рис. 5.51. На рис. 5.52 показан один из возможных вариантов конструкции функциональной ячейки с отводом тепла при помощи тепловой трубы.

5.9. Термоэлектрическое охлаждение конструкций РЭС

Рис. 5.53. Полупроводниковый
термоэлемент

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эф-
фекта Пельтье, заключающегося в том, что на границе (спае) двух раз-
личных проводников при протекании
электрического тока в зависимости от его
направления выделяется или поглощает-
ся тепло. Эффект Пельтье проявляется
тем сильнее, чем больше термоэлектро-
движущая сила в контакте выбранных ма-
териалов. Наибольшая термоэлектродви-
жущая сила возникает на спае двух полу-
проводников с р- и n-проводимостыо.
Поэтому спай полупроводников с элект-
ронной и дырочной проводимостью явля-
ется термоэлементом (рис. 5.53). Объеди-
нение термоэлементов в батарею позво-
ляет получить термоэлектрические холо-
дильники.

Если источник напряжения включен в соответствии с рис. 5.53, то верхний спай 1 поглощает тепло (холодный спай), на нижнем спае 2 тепло выделяется (горячий спай). К холодному спаю подводится поток Р _х от окружающей среды или охлаждаемого объекта, от горячего спая за счет теплопроводности передается поток Р_{Т г} При протекании электрического тока через термоэлемент часть электрической энергии преобразуется в тепловую Р_Д (джоулевы потери). „

В стационарном режиме сумма поступающих к холодному спаю теп-
ловых потоков компенсируется за счет эффекта Пельтье, т.е.

243

Р_П=Р_Х+Р_Т+Р_Д-

Если пренебречь теплопередачей в окружающее пространство с боковых поверхностей термоэлемента, то Р _т = σ _TΔ.t, где σ_т — тепловая проводимость термоэлемента между горячим и холодным спаями; Δ t—разность температур горячего и холодного спаев.

Учитывая, что коэффициенты теплопроводности р- и п- полупро-
водника приблизительно равны, σ_т = 2λS/l где S — площадь попе-
речного сечения полупроводниковых элементов; l— их длина.

Предполагая, что джоулево тепло распределяется поровну между
холодным и горячим спаями, можно записать Р_Д = 0,5I² R , где I— ток,

протекающий через термоэлемент; R — электрическое сопротивление
термоэлемента.

Поскольку Р _п = ± ПI , где П — коэффициент Пельтье, холодопро-

изводительность термоэлемента

Р_х = ПI-0,5I^2R-σ_тΔt; (5.55)

тепловой поток, который требуется отводить с горячего спая,
P_Г = ПI+0,5I²R-σ_ТΔt .

Коэффициент полезного действия термоэлемента определяют как
η = Р _х /Р, где Р — полная электрическая мощность, отбираемая от ис-
точника электропитания. Ввиду того что Р = UI, U=IR + Е _т, где Е _т =

= γ Δ t — термоэлектродвижущая сила, возникающая на спае при разно-
сти температур горячего и холодного спаев Δ t (γ— коэффициент Зее-
бека), коэффициент полезного действия

η = (ПI-0,5I²R-σ_тΔt)/(γIΔt+I²R).

Различают два экстремальных режима работы термоэлемента: мак-
симального коэффициента полезного действия и максимальной холо-
допроизводительности. Первый из режимов обеспечивает минималь-
ные затраты энергии, второй — позволяет при прочих равных условиях
снимать большую тепловую нагрузку. Как следует из графического решения уравнения (5.55), представленного на рис. 5.54, максимальной
холодопроизводительности соответствует некоторое оптимальное значение тока I_OPT, протекающего через термоэлемент.

Термоэлектрические батареи получают путем последовательного
или параллельного включения отдельных элементов. При создании си-
стемы охлаждения объекта с помощью термоэлектрической батареи 1

244

Характеристики

Список файлов книги