7.2. Защита от тепловых воздействий

Средства ВТ функционируют в строго ограниченном температурном режиме. Уход температуры за пределы ведёт к необратимым последствиям. Температура действует на электронные схемы, изменяет параметры сигналов. При повышенной температуре снижаются диэлектрические свойства материалов, ускоряется коррозия контактов, конструкционных материалов. При пониженной температуре затвердевают и трескаются резиновые детали, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейного расширения приводят к разрушению залитых смолами конструкций, а следовательно, к разрушению электрических соединений, ослаблению креплений и.т.д.

Нормальный температурный режим ЭВМ режим, который при изменении в определённых пределах внешних температурных воздействий, обеспечивает изменение параметров и характеристик схем, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях.

Высокая надёжность, большой срок службы ВТ будут гарантированы, если температура среды внутри ВМ нормальная (20-25° С) и изменяется не более, чем на 2° С/час. Для обеспечения нормального теплового режима приходится идти на усложнения конструкции, увеличение габаритов, массы, введение дополнительного оборудования.

Если температура низкая, то сначала нагревают аппаратуру, при достижении нормальной температуры приступают к эксплуатации. Затем из-за самонагрева может понадобиться охлаждение.

Чаще всего конструктор решает задачу удаления избытка температуры в результате саморазогрева ЭВМ. Для этого используется воздушное естественное и принудительное охлаждение; жидкостно-воздушное охлаждение. Если же требование к стабильности параметров высокие, жёсткие, то используется термостатирование узлов, блоков.

Естественное охлаждение применяется в калькуляторах, микро-ЭВМ , аппаратуре с плотностью тепловых потоков не более ,05 Вт/см 52 . Элементы охлаждаются за счёт естественной конвекции воздуха, излучения и теплопроводности.

Особое внимание уделяется компоновке: равномерное распределение выделяемой мощности по всему объёму. Для этого ячейки с большими тепловыми выделениями необходимо располагать в верхней части или вдоль стенок, критичные к температуре внизу, или защищать экранами.

Различают герметичные и перфорированные кожухи. В перфорированном круглые, прямоугольные, квадратные отверстия. Для поступления свободных конвективных потоков между установочной поверхностью и днищем нужно расстояние не менее 30 мм, что можно получить установкой прибора на амортизаторы.

Принудительное воздушное охлаждение осуществляется автономными вентиляторами или подачей воздуха от центрального кондиционера (в рамах и стойках ЭВМ с тепловыделениями не более ,5 Вт/см2 ).

Охлаждение вентиляторами по схемам подачи воздуха снизу вверх, сверху вниз. Вентилятор представляет собой электродвигатель с крыльчаткой. Вентиляторы устанавливаются либо в прибор, либо в специальные блоки, снабжённые элементами коммутации и фиксации на каркасе рамы, стойки. В блоке обычно имеются несколько вентиляторов, фильтры противопыльные, элементы сигнализации неисправного состояния. Подача охлаждённого воздуха от центрального кондиционера по системе воздуховодов используется в больших ЭВМ со значительными тепловыделениями. Охлаждаемый воздух подаётся в стойки.

Недостаток разработка системы кондиционирования, воздуховодов, сложность при перепланировке технических средств, установке нового оборудования.

Жидкостно-воздушная система охлаждения используется для больших ЭВМ. Отвод теплоты от блоков осуществляется поступающим от вентиляторов воздухом и жидким хладоагентом, протекающим по трубам к охладителям. Охладитель система трубок, расположенных над каждым блоком.

Выбор системы охлождения (СО) определяется режимом работы, конструктивным исполнением, рассеиваемой мощностью, объектом установки, окружающей средой. Выполняется тепловой расчет. Для этого составляется перечень тепловыделяющих элементов, устанавливается мощность рассеяния, максимально допустимые значения температуры, рассчитываются тепловые потоки компонентов.

На основе этого выделяются критичные к перегреву элементы, компоненты, которые должны быть установлены на теплоотводы. Для каждого модуля составляется перечень входящих модулей, размещение по критерию минимального перегрева, составляется уравнение теплового баланса, по которому расчитывается расход хладоагента.

Тепловые расчеты подтверждают правильность выбранной СО, но окончательное решение принимается только после совместных испытаний ЭВМ и СО.

Методики теплового расчета различны, но в основном используют модель нагретой зоны (H3), представляющей собой теплонагруженные элементы вместе с конструктивными элементами. Выбирается одна или несколько нагретых зон.

Если набор ПП, то нагретая зона- параллелепипед, размеры которого меньше размеров набора плат. В Н3 не входят поверхности, служащие для установки лицевых панелей, соединителей, поверхность платы, предназначенная для установки по направляющим.

Расчет теплового режима блока

с естественным воздушным охлаждением

Исходные данные: размеры блока L_б1 , L_б2 , L_б3 ; мощность, рассеиваемая блоком Р_б ; площадь поверхности компонента Sк , количество Nво и площадь Sво вентиляционного отверстия; максимальная температура окружающей среды Тос ; сборочный чертеж блока. Расчет выполняется следующим образом:

1. Повеpхность кожуха блока

Sк.б. = 2*[L_б1 +L_б2 +(L_б1 +L_б2 )* L_б3 ]

2. Повеpхность нагpетой зоны

Sн.з. = 2*[Lз1* Lз2 +(Lз1 + Lз2 )*Lз3*kз.б. ],

где kз.б. коэффициент заполнения блока.

3. Удельная мощность, рассеиваемоя кожухом.

4. Удельная мощность, рассеиваемая НЗ:

5. Нагрев  Т1 ,  Т2 определяются из графиков (справочные данные),

6. Площадь всех вентиляционных отверстий:

Sв.о = Nв.о*Sв.о

7. Коэффициент перфорации

8. По графику определяется коэффициент теплоотдачи

Кт = f(Кпф )

Кm

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 0.4 0.6 0.8 K 4пф

9. Перегрев кожуха

 Ткж = 0,93 k_T *Т1

10. Перегрев НЗ

 Тнз = k_T *Т2

11. Удельная мощность, рассеиваемая компонентом

12. Перегрев поверхности компонента

13. Перегрев окружающей компонент среды

где Тс.п. средний перегрев, равный

Тс.п. =0,6 Тп.з.

14. Температура кожуха, НЗ, воздуха в блоке, поверхности компонента и окружающей среды определяется суммированием соответствующих перегревов, и максимальной температуры окружающей среды:

Тк = Ткж + То.с.

Если температура критичного к перегреву компонента оказывается выше значения, указанного в ТУ, то способ охлаждения не обеспечивает работоспособность и возникает необходимость в принудительном охлаждении.

Расчёт теплового режима с принудительным охлаждением выполняется по анологичной методике с учётом расхода воздуха Gв.

7.3. ЗАЩИТА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Влияние климатических факторов выражается в возникновении процессов коррозии, потере механических, диэлектрических свойств, изменении электропроводности и т. д.

Степень и скорость изменения свойств материалов зависит, естественно, от природы материала.

Природа коррозии может быть химическая или электрохимическая.

Химическая коррозия протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии процесс протекает с участием влаги. В любом случае, коррозия--это переход металла в исходное состояние, из которого он был получен с затратой большой энергии.

Различают 3 вида коррозии: равномерную, неравномерную, межкристаллическую.

Равномерная процесс постепенно распространяется от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла.

Неравномерная коррозия ограничивается отдельными местами, возникает в результате нарушения защитного покрытия.

Межкристалическая коррозия характеризуется проникновением вглубь металла путём разрыва структуры и распространением вдоль границ кристалов.

Коррозийная стойкость основных металлов, применяемых в производстве ВТ:

1. Наиболее устойчив алюминий вследствии самопроизвольного образования плёнки (толщина ,01-0,02 мкм). Применяются сплавы с магнием и марганцем, стойкие даже в морской атмосфере.

2. Медь тоже образует защитный слой, на прочность слоя ниже, чем у алюминия. Поэтому вероятность разрушения медных проводников выше. Сплавы с никелем, оловом более устойчивы к влажному тёплому климату, промышленной атмосфере, морскому туману.

3. Сплавы олова и свинца, используемые в качестве припоев, характеризуются средней коррозийной стойкостью. По истечении времени сплавы покрываются неэлектропроводным массивным слоем, толщина которого растёт со скоростью 0,43-0,69 мм/год в промышленной атмосфере, 0,56 мм/год на морском побережье, 0,23-0,48 мм/год в континентальном климате.

4. Изоляционные материалы поглощают влагу, ухудшаются диэлектрические свойства, разрушаются. Изоляционные пластмассы все поглощают влагу, но количество проникшей влаги различно. Аналогично и с высыханием (выделением влаги в атмосферу).

Поглощение влаги влечет уменьшение сопротивления изоляции, набухание, механическое повреждение.

По мере роста влагопоглощения располагаются: полистирол (0.006%), пресс-порошок К-21-22 (0.1%), текстолит (0.8-1.5%), стеклотекстолит (1.5%), гетинакс (1-2.5%).

Для защиты поверхности материалов от климатических факторов используют покрытия, которые по назначению подразделяют на 3 группы: защитные, защитно-декоративные, специальные.

Защитные покрытия предназначены для защиты от коррозии, высыхания, гниения и пр. процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия наряду с защитой деталей придают красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности особые свойства или защищают от влияния особых сред.

По способу получения покрытия подразделяют на металлические и неметаллические.

Металлические покрытия покрытия, нанесенные горячим способом, гальванические, диффузионные и металлические на диэлектриках.

Неметаллические покрытия покрытия лаками, эмалями, пластмассами.

Выбор покрытия определяется материалом детали, ее эксплуатационным назначением, условиями эксплуатации.

Пример 1: металлические покрытия.

Цинковое покрытие для защиты от коррозии деталей из стали, меди, медных сплавов (корпуса, крышки, панели, шасси, каркасы).

Толщина покрытий 6-30 мкм.

Никелевое покрытие обеспечивает защиту деталей из тех же материалов от коррозии (экранов, корпусов, крепежных деталей, увеличение твердости деталей). Толщина 3-18 мкм.

Золотое покрытие позволяет уменьшить переходные сопротивления контактов, пружин, лепестков из меди, медных сплавов. Толщина 5-21 мкм.

Пример 2: лакокрасочные покрытия для умеренного климата. Используются лак 170 (бесцветный), нитроцеллюлозные эмали НЦ-11 (синий, серый цвет), ЭМ-508 (зеленый), НЦ-25 (белый, бежевый, голубой, синий).

Покрытия полуглянцевые, прочные, обладают высокой декоративностью, полируются. Выдерживают температуру от +60° до 60°С.

Для повышенных температур (от +60° до +300° С) используется эмаль ГФ-820(серебристая).

Для обеспечения повышенной электроизоляции используется полиуретановый лак УР-231(светлокоричневый цвет). Покрытие твёрдое, прочное, выдерживает температуру от 60 до +120 С. Предназначен для защиты изделий из металлов и пластмасс.

Герметизация используется для защиты отдельных элементов, узлов, устройств или всей машины.

Известны различные способы герметизации с помощью:

1. изоляционных материалов;

2. непроницаемых для газов оболочек.

Защита изоляционными материалами производится пропиткой, заливкой, опрессовкой.

Пропитка изделия заполнение всех каналов электроизоляционным материалом. Одновременно образуется тонкая изоляционная пленка.Пропитка выполняется погружением в жидкий материал. После извлечения материал затвердевает.

Заливка все полости, в т.ч. пространство между элементами заливают изоляционным материалом. После отверждения образуется толстый защитный слой. Заливку выполняют в специальных формах.

В качестве заливочных и пpопитывающих материалов широко применяются эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6 и компаунды на их основе (добавление различных составляющих).

Опрессовка выполняется в спецформах с помощью термопластичных масс,этот способ не получил широкого распространения.

Защита непроницаемыми для газов оболочками наиболее совершенный способ защиты, т.к. обладает возможностью разгерметизации в производственных условиях.

Герметические корпусы (вакуумноплотная герметизация) выполняются с разъёмными и неразъёмными швами.

Неразъёмные швы выполняются пайкой, сваркой, склеиванием и т.д.

Разъёмные швы: между соединяемыми деталями помещают прокладку, например из резины круглого, квадратного или прямоугольного сечения. В зависимости от назначения шнуры изготавливают из теплостойкой, морозостойкой и т.д. резины.

Полная герметизация наиболее эффективна, но и наиболее трудоемка и дорога, т.к. необходима разработка специальных кожухов, прокладок, внешних соединителей, выходов жгутов и т.д. Известны методики расчета герметизации. Следует отметить, что выбор способа герметизации определяется условиями эксплуатации, применяемыми материалами и покрытиями, требованиями к электрическому монтажу.

Окончательное решение принимается только после проведения испытаний изделий ВТ в камерах влажности.