Book5 (563558), страница 8

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

Текст из файла (страница 8)

В качестве теплоносителей обычно применяются вода, водоспирто-
вые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические
жидкости. В системах принудительного жидкостного охлаждения воз-
можны все три режима движения теплоносителя: ламинарный, пере-
ходный и турбулентный.

В блоках РЭС принудительное жидкостное охлаждение применяет-
ся для отвода тепла от кожухов или нагретых зон. При охлаждении ко-
жухов трубопровод прокладывается по наружной или (чаще) по внут-
ренней поверхности кожуха. Конструкция системы принудительного
жидкостного охлаждения нагретой зоны блоков зависит от ее структу-
ры. Так, в блоках с шасси трубопровод с теплоносителем прокладыва-
ется по верхней или нижней поверхности шасси между элементами и
связан с шасси сваркой или пайкой. В блоках с интенсивным тепловы-
делением часто используются теплообменники «воздух — жидкость»,
через которые нагретый воздух продувается малогабаритными венти-
ляторами. Значительная часть тепловой энергии, рассеиваемой нагре-
той зоной, уносится жидким теплоносителем из теплообменников.
Блоки кассетного типа с принудительным жидкостным охлаждением
конструктивно аналогичны блокам с воздушным охлаждением. Отлича-
ются они более массивным герметичным кожухом и наличием межплат-
ных каналов для прокачки охлаждающей жидкости. Из входного пат-
рубка теплоноситель через жидкостный распределитель попадает в
межплатные каналы. Отбирая из нагретой зоны блока тепло, теплоно-
ситель выходит через другой патрубок, который может располагаться
как со стороны входного патрубка, так и с противоположной стороны.

Упрощенное представление конструкции с системой принудитель-
ного жидкостного охлаждения дано на рис. 5.48, а. Трубопровод с теп-
лоносителем 2 припаян к теплостоку в нагретой зоне 3, температура
жидкости на входе системы t_ex, на выходе — t _вых. Тепло, выделяемое

Рис. 5.48. Тепловая модель блока с принудительным жидкостным охлаждением:
а — схематическое изображение конструкции; б — тепловая схема

239

в нагретой зоне, через стенку трубопровода передается охлаждающей
жидкости (конвективная теплопередача), конвекцией и излучением —
на кожух 1 и с наружной поверхности кожуха — окружающей блок сре-
де. Поверхности кожуха, нагретой зоны с трубопроводом считаются
изотермическими, тепловое сопротивление между теплостоком и тру-
бопроводом мало. Не учитывается из-за малой величины и тепловое со-
противление стенки трубопровода.

Тепловая схема блока приведена на рис. 5.48, б. По схеме составля-
ется система уравнений, связывающих обозначенные переменные:

Р=Р₁₊Р₂;
P₁ =σ_з.ж(t_з-t_ж): (5-53)

P₂ ⁼ σ_з.к(t_з-t_k) =σ_к.с(t_к-t_с)

где σ_3ж— тепловая проводимость конвективной теплопередачи от на-
гретой зоны к жидкости; σ _{3 к}— тепловая проводимость теплопередачи конвекцией и излучением через воздушную прослойку от нагретой
зоны к кожуху; σ_кс — тепловая проводимость, характеризующая теплообмен кожуха с окружающей средой; t₃, t _к — среднеповерхностные
температуры нагретой зоны и кожуха; t_ж = 0,5(t _BX+t _вых) — средняя
температура охлаждающей жидкости.

Дополнительное уравнение получают исходя из условия, что все
тепло, кроме рассеиваемого в окружающей среде, расходуется на повы-
шение теплосодержания охлаждающей жидкости:

Pσ_к._с(t_к-t_с)+w_ж(t_вых-t_вх) (5.54)

где w _Ж = G _Vρ С_p — условная тепловая проводимость жидкости.

Плотность ρ и удельная теплоемкость С_P жидкости берут для сред-
ней температуры t _ж.

Тепловая проводимость σ_3ж=α_зжS_тр ,где α_зж— конвективный
коэффициент теплопередачи от стенки трубопровода к жидкости; S_ТР

— площадь внутренней поверхности трубопровода.

Определение α _3ж производится для условий принудительного кон-
вективного теплообмена в трубах.

Тепловые проводимости σ_{3 к} и σ_кс характеризуют теплообмен с
окружающей средой при естественной воздушной конвекции.

240

Для определения неизвестных среднеповерхностных температур на-
гретой зоны t₃, кожуха t _K и температуры жидкости на выходе системы

охлаждения t_вых можно воспользоваться методами последовательных
приближений или тепловой характеристики.

5.8. Тепловые трубы

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 учебной работы