- •Глава 3 тепловой режим конструкций рэс
- •§ 3.1. Влияние теплового режима на эффективность и качество конструкций рэсг
- •§ 3.2. Системы обеспечения теплового режима рэс
- •§ 3.3. Теплоотвод конвекцией
- •§ 3.4. Теплоотвод тепловыми трубами
- •§ 3.5. Теплоотвод теплопроводностью
- •§ 3.6. Теплоотвод излучением
- •§ 3.7. Теплоотвод с использованием термоэлектрического эффекта
- •§3.8. Способы поглощения теплоты. Технологичность конструкции сотр
§ 3.5. Теплоотвод теплопроводностью
Теплопроводность — молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный разностью температур. В РЭС широко используется теплопроводность твердых тел (несущих конструкций). Блоки РЭС (особенно бортовые) имеют высокий коэффициент заполнения объема и весьма малые внутренние каналы для передачи теплоты конвекцией.
Таблица 3.7 Характеристики тепловых труб
Тип трубы |
Теплоноситель |
Диапазон температур,
|
Плотность теплово- го потока |
Материал корпу- са и фитиля |
|
Криогенная
Низко- темпера-турная |
Гелий, аргон, крип- тон, азот, кислород, этан, фреоны Азот Фреоны, аммиак, спирты, ацетон, вода, органические соединения Жидкий аммиак Метиловый спирт Вода |
-273...-73
-200...-76 -73.+ 777
-70...+ 60 45...+120 + 5...+ 230 |
-
0,01 0,1-0,7
0,1...0,3 0,45 0,67 |
-
- 3...15
0,3…3 7,5...10 14,8 |
Никель, алю-миний, нер- жавеющая сталь 12ХН9Т Медь, никель, нержавеющая сталь 12ХН9Т, керамика |
Для планарной конструкции передача теплоты с помощью теплопроводности подчиняющаяся обобщенному закону Фурье, может быть описана линейным уравнением , где — тепловой поток, передаваемый с помощью теплопроводности, Вт; —тепловая проводимость; для плоской стенки , Вт/(м2-К); — толщина элемента конструкции стенки, через которую проходит тепловой поток (длина теплоотводящей шины),м; — коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м-К); S—площадь поперечного сечения теплового потока, м2; —перепад температур между двумя сторонами стенки, К. Величина, обратная , называется тепловым сопротивлением (м2 К/Вт): Коэффициенты теплопроводности различных материалов приведены в табл. 3.8. Если стенка многослойная и плоская, то полное тепловое сопротивление теплопроводности , а тепловая проводимость .Если тепловой контакт с наружных сторон тонкостенной конструкции осуществляется с помощью конвекции, то в расчетах вместо тепловой проводимости используют коэффициент теплопередачи где и — коэффициенты теплоотдачи конвекцией с одной и второй стороны, Вт/(м2-К). При построении тепловой схемы устройства используется величина, называемая удельным тепловым сопротивлением (К/Вт): , где —площадь сечения, через которое распространяется тепловой поток. Удельное тепловое сопротивление характеризует, например, тепловые параметры корпуса ИС. Так, для керамических корпусов R = 30. ..40 К/Вт, для пластмассовых 55. ..60 К/Вт, т.е. перепад температур для пластмассовых корпусов при одной и той же мощности ИС в два раза выше.
Таблица 3.8 Коэффициент теплопроводности X некоторых материалов
Материал |
, Вт/(м-К) |
Материал |
, Вт/(м-К) |
Газы |
0,01 |
Сплав 12Х12Н10Т |
14...33 |
Воздух |
0,023...0,027 |
Ковар Н29К18 |
15...21 |
Стеклянная вата |
0,051...0,059 |
Поликор (99,7% А12О3) |
25,1...42 |
Пенопласта |
0,03...0,06 |
Сталь |
45...92 |
Жидкости |
0,09...0,5 (вода 0,6) |
Германий Бронза |
58 64...88 . |
Полихлорвиниловая пленка |
0,12 |
Олово |
34...67 |
Резина |
0,11...0,16 |
Никель |
60...95 |
Эпоксидная смола |
0,1...0,2 |
Кремний |
83...105 |
Парафин |
0,27 |
Латунь Л63 |
86 |
Слюда |
0,43...0,6 |
Свинец |
35...92 |
Стеклотекстолит |
0,34...0,74 |
Алюминиевые сплавы: |
|
Пластмасса ЭФП-63 |
0,7 |
дюралюминий |
160...180 |
Клей ВК-9 |
0,7...0,8 |
сплав АЛ2 |
175 |
Паста КПТ-8 |
0,7...0,8 |
Бериллиевая керамика Брокерит (Ве2О4) |
60...209 217 |
Ситалл |
1,2...4,0 |
Медь |
259...400 |
Керамика 22ХС |
20...30 |
Серебро |
416...425 |
Титановый сплав |
14...16 |
|
|
В ряде случаев для построения тепловой схемы необходимо знать контактное тепловое сопротивление . Его значение зависит от сочетания материалов в тепловом контакте, удельной нагрузки, шероховатости поверхности контактной пары. Для удельной нагрузки 1000 Н/см2 и шероховатости Rz 20 контактное тепловое сопротивление (см2 К/Вт) некоторых пар равно: медь — алюминий— 0,08; медь — медь — 0,1; медь — латунь — 0,18; медь — сплав Д16 —0,2;сплав Д16 — сплав Д16 — 0,25;сталь — медь — 0,8; сталь — сплав Д16—1,2; сталь — сталь — 2,5; металл— краска — металл — 20,0. Тепловое сопротивление контакта (К/Вт) определяется по формуле .
Рис. 3.21. Охлаждение ИС с помощью тешюотводящих шин:
а—ячейка с шинами-теплостоками и торцевой накладкой; 6—ячейка со сплошным тепло-отводом и периферийным радиатором; 1—элементы теплоотвода; 2 — ИС; 3 — печатная плата; 4 — окна в теплоотводящей шине; 5—розетка соединителя
Рис. 3.22. Отвод теплоты от бескорпусных компонентов, установленных на плату (а) и выступы основания (б): 1 — компонент; 2 — полиимидная плата; 3 - основание из алюминия; 4 — охлаждаемая жидкостью плита
Для улучшения теплоотвода в конструкции РЭС используются материалы с высокой теплопроводностью (поликор, керамика 22ХС, оксид бериллия, медь, алюминий, теплопроводящий клей ЭТК-21 с наполнителем из нитрида бора), а также по возможности принимаются меры для исключения воздушных зазоров в местах тепловых контактов (например, с помощью паст типа КПТ-8 или клея ЭТК-21), уменьшения шероховатости поверхности (уменьшения микронеровностей), увеличения площади теплового контакта, увеличения контактного усилия.
Теплоотвод от компонентов, установленных на печатных платах, осуществляется с помощью теплоотводящих шин которые располагают непосредственно под корпусами ИС (рис. 3.21, а). В ряде случаев ИС в пластмассовом корпусе содержат встроенные теплоотводящие шины (см. рис. 1.18), которые могут присоединяться к шинам на плате или к корпусу РЭС (через шины).
Шины на плате могут выполняться вместе с рамкой (рис. 3.21, б). Радиаторы, расположенные по краю платы, могут сами рассеивать теплоту или служить теплосоединителями, передающими теплоту к охлаждаемому жидкостью корпусу радиоэлектронного средства.
Бескорпусные компоненты могут устанавливаться на тонкие основания из полиимидной пленки (рис. 3.22, а) или непосредственно на выступы основания (рис. 3.22, б), проходящие через отверстия в платах. Теплоотводящие шины через рамку ячейки или корпус блока соединяютя с теплостоком, который может представлять собой тепловые трубы или основание, охлаждаемое жидкостью.