- •Тепловое проектирование радиоэлектронных средств
- •Введение
- •1. Влияние тепла и влаги на рэс и их элементы
- •1.1. Влияние температуры
- •1.2. Влияние влаги
- •2. Основы теплообмена
- •2.1. Теплообмен конвекцией
- •2.1.1. Основные положения
- •2.1.2. Теплообмен при естественной конвекции
- •2.1.2.1. Коэффициент теплоотдачи неограниченных цилиндров
- •2.1.2.2. Коэффициент теплоотдачи плоской (цилиндрической) поверхности
- •2.1.2.3. Коэффициент теплопередачи между двумя поверхностями
- •2.1.2.3.1. Коэффициент теплопередачи плоских неограниченных прослоек
- •2.1.2.3.2. Коэффициент теплопередачи ограниченных прослоек
- •2.1.3. Теплообмен при вынужденном движении жидкости
- •2.1.3.1. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости вдоль плоской поверхности
- •2.1.3.2. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах
- •2.1.3.3. Определяющий размер тел, принудительно омываемых потоком жидкости
- •2.2. Лучистый теплообмен (теплообмен излучением)
- •2.2.1. Основные понятия и определения
- •2.2.2. Законы теплового излучения
- •2.2.3. Лучистый теплообмен между телами
- •2.2.3.1. Лучистый теплообмен неограниченных поверхностей
- •2.2.3.2. Теплообмен излучением ограниченных поверхностей
- •2.2.3.4. Влияние экранов на теплообмен излучением
- •2.3. Теплообмен кондукцией (теплопроводностью)
- •2.3.1. Основные понятия. Закон Фурье
- •2.3.2. Уравнение теплопроводности Фурье
- •2.3.3. Тепловой поток через стенки
- •2.3.3.1. Плоская стенка
- •2.3.3.2. Цилиндрическая стенка
- •2.3.4. Температурное поле тел с внутренними источниками тепла
- •2.3.4.1. Плоская неограниченная стенка
- •2.3.4.2. Параллелепипед
- •3. Сложный теплообмен
- •3.1. Тепловой поток через стенки, разделяющие две среды
- •3.2. Тепловой поток в стержнях и пластинах
- •3.2.1.Тепловой поток в стержнях
- •3.2.2. Тепловой поток в пластинах
- •3.2.2.1. Пластина в виде диска
- •3.2.2.2. Прямоугольная пластина
- •3.3. Особенности теплообмена в условиях невесомости и пониженного атмосферного давления
- •4. Основные закономерности стационарных температурных полей
- •4.1. Принцип суперпозиции температурных полей
- •4.2. Температурный фон
- •4.3. Принцип местного влияния
- •4.4. Тепловые модели радиоэлектронных средств
- •4.5. Тепловые схемы системы тел
- •5. Анализ и расчет стационарных тепловых режимов рэс
- •5.1. Расчет теплового режима рэс в герметичном кожухе с крупными деталями на шасси
- •5.1.1. Расчет среднеповерхностной температуры кожуха
- •5.1.2. Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны
- •5.2. Расчет теплового режима рэс с внутренней принудительной циркуляцией воздуха
- •5.3. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции
- •5.3.1. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции (группа а)
- •5.3.2. Расчет теплового режима рэс с воздушными зазорами между кассетами (группа б)
- •5.4. Расчет теплового режима вентилируемых рэс
- •6. Расчет нестационарных тепловых процессов
- •6.1. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел без источников тепла
- •6.2. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел c источниками энергии
- •6.3. Длительность начальной стадии
- •7. Системы обеспечения тепловыхрежимов рэс
- •7.1. Классификация сотр
- •7.2. Системы охлаждения рэс
- •7.2.1. Воздушные системы охлаждения рэс
- •7.2.2. Жидкостные системы охлаждения рэс
- •7.2.3. Испарительные системы охлаждения рэс
- •7.2.4. Кондуктивные системы охлаждения рэс
- •7.2.5. Основные элементы систем охлаждения рэс
- •7.2.5.1. Теплоносители
- •7.2.5.2. Теплообменники
- •7.2.5.3. Вентиляторы и насосы систем охлаждения
- •8. Специальные устройства охлаждения рэс
- •8.1. Тепловые трубы
- •8.2. Вихревые трубы
- •8.3. Турбохолодильники
- •8.4. Термоэлектрические охлаждающие устройства
- •9. Интенсификация теплообмена в рэс. Радиаторы и их расчет
- •9.1. Особенности теплообмена оребренных поверхностей
- •9.2. Рекомендации по конструированию радиаторов
- •9.3. Проектирование и расчет радиаторов
- •10. Теплообмен при кипении жидкостей и конденсации паров
- •10.1. Теплообмен при кипении жидкости
- •10.2. Теплообмен при конденсации паров
- •11. Влагообмен в рэс
- •11.1. Механизм поглощения влаги материалами
- •11.2. Основные закономерности переноса паров воды через полимерные материалы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)”
А.И. УДАЛОВ
Тепловое проектирование радиоэлектронных средств
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
МОСКВА 2005
Введение
Тепловое проектирование является одним из ответственных этапов создания радиоэлектронных средств (РЭС), в значительной степени определяющим их функционирование на всех этапах жизненного цикла [1,2,3]. Работа РЭС, как правило, характеризуется достаточно интенсивным выделением тепла в электрорадиоэлементах (ЭРЭ) [4,5,6]. По этой причине температура Тотдельных ЭРЭ в рабочем режиме может достигать 350 К и выше. РЭС проектируется инженерами, специализирующимися в разных направлениях, и за каждым направлением лежит определенная доля ответственности за правильное функционирование РЭС. Если схемотехники формируют условия передачи и приема информации, ее преобразования и транслирования к потребителю, то проектировщики обеспечивают условия надежного функционирования, эргономичность, экономичность, экологичность и другие важные для пользователей характеристики. Технические и эксплуатационные характеристики РЭС в немалой степени зависят от того, в каком температурном режиме работают ее ЭРЭ, а также функциональные блоки. В конструкцию РЭС закладывают систему обеспечения тепловых режимов (СОТР), которая в значительной степени обеспечивает бесперебойное функционирование РЭС.
Из-за сложности и разнообразия конструкций РЭС создание математических моделей для описания гидродинамики и теплопереноса в теплонагруженных элементах и воздушной среде, окружающей их, наталкивается на огромные трудности, связанные с поиском компромисса между полнотой разрабатываемой модели и возможностью ее численной реализации. Это предопределяет необходимость разработки специализированных методов и средств контроля теплового состояния РЭС.
Дисциплина “Тепловое проектирование радиоэлектронных средств” является одной из базовых дисциплин формирования инженера, занимающегося проектированием и технологией современных РЭС, работающих в жестких тепловых режимах.
1. Влияние тепла и влаги на рэс и их элементы
Радиоэлектронные средства в процессе эксплуатации подвержены различным внешним воздействиям. Из всех внешних воздействий наибольшее влияние на функционирование РЭС оказывают температура и влага, содержащаяся в воздухе. Обеспечение нормального теплового и влажностного режима является одной из важнейших задач, которая решается при проектировании РЭС.
В реальных условиях температура и влага действуют совместно, однако методически удобнее каждый вид воздействия рассматривать раздельно.
1.1. Влияние температуры
Тепловой режим радиоэлектронных средств, то есть пространственно - временное распределение температуры в них определяется с одной стороны внутренними источниками тепла, его конструктивным выполнением, а с другой - температурой окружающей среды.
Радиоэлектронные средства можно рассматривать как преобразователь электрической энергии - часть энергии, потребляемой устройством, преобразуется в полезный (выходной) сигнал, другая ее часть, как правило, большая, преобразуется в тепловую энергию.
Характерной особенностью РЭС является низкий коэффициент полезного действия. Для большинства радиоэлектронных средств кпд составляет не более 5 % и только для мощных генераторов и усилителей высокой частоты он достигает 40…50 % (для генераторов и усилителей на полупроводниковых приборах - до 70…80 %).
Удельная мощность, т.е. мощность, выделяемая в единице объема РЭС, существенно зависит от его конструктивного выполнения и элементной базы. Так, в РЭС, выполненной на электронных вакуумных приборах, эта мощность лежит в пределах 40…70 , на полупроводниковых приборах – 300…600 . Микро миниатюризация РЭС неизбежно связана с увеличением этой удельной мощности.
Тепловая энергия, выделяющаяся в РЭС, приводит к повышению температуры, и, если не принять соответствующих мер, эта температура в ряде случаев может превосходить предельно допустимое значение для ЭРЭ и конструкционных материалов.
Тепловой режим РЭС помимо наличия внутренних источников энергии определяется и температурой окружающей среды, которая, в свою очередь, зависит как от объекта (места) установки, так и климатического пояса. Для стационарной аппаратуры, устанавливаемой в отапливаемых помещениях, пределы изменения температуры окружающей среды сравнительно невелики, а для аппаратуры, устанавливаемой в легких, не отапливаемых помещениях, на подвижных объектах эти изменения могут быть весьма значительными. Так, для резко континентального климата сезонные изменения температуры составляют от -40 до +50 0С, а суточные перепады доходят до 300С. Предельные температуры воздуха, зафиксированные уповерхности земли, составляют -870С в Антарктиде и +600С в Средней Азии [6].
Температура воздуха существенно зависит от высоты над поверхностью Земли. Характер этой зависимости представлен на рис. 1.1.1. Для умеренной полосы летом температура у поверхности Земли принимается равной 20 0С. С увеличением высоты температура воздуха понижается и на высоте 11 км (5 км на полюсах и 20 км на экваторе) принимается - 560С. Средний градиент температуры у поверхности составляет 0,650С на 100 м.С 11 км и примерно до 32 км температура остается почти постоянной. На больших высотах под воздействием солнечной радиации происходит расщепление молекул газа, в том числе и кислорода.
Атомарный кислород вступает в реакцию с молекулярным, образуя озон. Эта экзотермическая реакция приводит к повышению температуры, которая на высоте примерно 50 км достигает +(40…80) 0С. Разброс температуры зависит от солнечной активности. С дальнейшим удалением от поверхности Земли температура среды падает вследствие большого разряжения воздуха и уменьшения активности химической реакции и на высоте 80…90 км она составляет - (50…90)0С. На больших высотах температура только повышается, что обусловлено наличием горячей плазмы солнечной короны.
Рис. 1.1.1.Изменение температуры воздуха с высотой над поверхностью земли, 1…2 – границы изменений, обусловленные солнечной активностью
Для сверхзвуковых самолетов температура в отсеках, где могут устанавливаться РЭС, определяется не столько температурой окружающей среды, сколько аэродинамическим нагревом обшивки, причем этот нагрев будет тем больше, чем больше скорость и меньше высота полета (рис. 1.1.2). Так, при длительном полете на высоте Н =10 км со скоростьюV = 2М(М = 330 м/с – скорость звука в воздухе) температура в отсеках может доходить до 150…2000С.
Воздействие температуры приводит к изменению электрических и механических свойств материалов и ЭРЭ, что в конечном итоге снижает точность, надежность и срок службы РЭС, ухудшает функциональные возможности.
На рис.1.1.2. показана зависимость температуры конуса, являющегося моделью самолета, от высоты Ни скорости набегающего потока газа.
Рис. 1.1.2.Зависимость температуры конуса от высоты H и скорости набегающего потока газа M (М =330 м/с)
Изоляционные материалы с изменением температуры изменяют свои электрические характеристики: диэлектрическую проницаемость , объемное удельное и поверхностное сопротивление , тангенс угла диэлектрических потерьtg и электрическую прочность.
Так, удельное сопротивление и электрическая прочность твердых диэлектриков с повышением их температуры уменьшаются, причем характер этих зависимостей выражается экспоненциальной функцией. Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от температуры имеет сложный характер и определяется структурой диэлектрика и частотой приложенного к нему напряжения. Для большинства диэлектриков с повышением температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается, а тангенс угла потерь увеличивается.
С ростом температуры диэлектриков ухудшаются и их механические характеристики, такие как прочность при сжатии и растяжении, изгибе, а также твердость и эластичность. При одновременном воздействии тепла и механических усилий многие материалы легко деформируются.
Способность изоляционных материалов противостоять воздействию тепла характеризуется теплостойкостью. Низкой теплостойкостью обладают материалы органического происхождения, у которых при воздействии тепла возникают необратимые физико-химические процессы, приводящие к изменению структуры материала и его старению. У некоторых полимерных материалов при повышении их температуры на 10…12 0С вдвое увеличивается степень теплового износа и, соответственно, вдвое сокращается срок службы изоляции.
При понижении температуры у большинства диэлектриков электрические характеристики улучшаются. Основным критериев морозостойкости является степень изменения механических свойств. Большинство органических материалов становятся хрупкими и неэластичными, но одновременно увеличивается их прочность на разрыв, изгиб и сжатие.
Повышение температуры металлов приводит к увеличению их удельного электрического сопротивления. Температурный коэффициент электрического сопротивления у большинства металлов лежит в пределах 1/0С. Так, например, при изменении температуры от 20 до 1000С удельное сопротивление меди увеличивается на 32 %, алюминия - на 40 %. С изменением температуры меняется величина магнитного потока из магнитов и магнитная проницаемость магнитодиэлектриков. Температурный коэффициент магнитной проницаемости карбонильного железа равен 1/0С, ферритов - 1/0С.
Все металлы при нагревании расширяются. Температурный коэффициент линейного расширения их составляет от до1/0С. Различие в коэффициенте расширения контактирующих материалов приводит к ослаблению крепления деталей, нарушению установочных размеров, деформации деталей, заклиниванию подвижных частей механических устройств, а также образованию воздушных зазоров в местах сопряжения деталей, выполненных из различных материалов. При низких температурах широко применяемое в РЭС для паяных соединений и герметизации олово меняет свои свойства. Обычное белое олово при температуре ниже -130С медленно переходит в серую модификацию, и этот процесс ускоряется по мере понижения температуры. При переходе белого олова в серое происходит изменение его кристаллической структуры: металл увеличивается в объеме и разрушается. Припои, представляющие сплав олова и свинца, менее склонны к разрушению, однако, этот процесс, хотя в меньшей степени, но имеет место. В результате увеличивается величина переходного сопротивления, уменьшается прочность пайки, нарушается герметизация паяных швов.
Полупроводниковые материалы при воздействии температуры в основном изменяют свои электрические свойства. При повышении температуры увеличивается количество электронно-дырочных пар, уменьшается объемное сопротивление. По этой причине изменяются параметры полупроводниковых приборов - увеличивается прямой и обратный ток перехода (рис. 1.1.3). Так, у германиевых транзисторов обратный ток коллектора увеличивается вдвое, а коэффициент усиления до 15 %на каждые 10 0С повышения температуры. Все это может привести к самовозбуждению устройства, построенного на полупроводниковых приборах, искажению сигнала, тепловому пробою перехода и так далее.
ЭРЭ являются композицией различных материалов, и следовательно изменение температуры неизбежно приводит к отклонению их параметров - емкости Си тангенса угла потерьtg конденсаторов, сопротивленияRрезисторов, индуктивностиLмоточных изделий. Так, например, емкость металлобумажных и сегнетокерамических конденсаторов при повышении температуры от +20 0С до 60 0С увеличивается на 1…14 %, изменяется и тангенс электрических потерь, который у бумажных конденсаторов при +60 0С возрастает в 5…6 раз.
Рис. 1.1.3.Относительное изменение икремниевого транзистора от температуры
Особенно сильно подвержены влиянию температуры электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы: у первых из них при температуре +60 0С емкость уменьшается на 10…15 %, а у вторых увеличивается более чем на 10 %.
Высокоомные углеродистые резисторы при повышении температуры уменьшают свое сопротивление, а композиционные и проволочные увеличивают. Температурные коэффициенты сопротивления углеродистых резисторов лежат в пределах - 1/0С, а композиционных лакопленочных - 1/0С.
Моточные изделия при воздействии температуры изменяют свою индуктивность L и добротностьQза счет изменения, в основном, магнитной проницаемости сердечника и геометрических размеров каркаса и намотки.
Рис. 1.1.4.Изменение интенсивности отказов элементов от температуры: 1 - конденсаторов; 2 - резисторов; 3 – германиевых транзисторов, 4 – кремниевых транзисторов
Помимо отклонения электрических параметров ЭРЭ, что приводит к отклонению выходных параметров РЭС, повышение температуры ускоряет процесс необратимых физико-химических изменений материалов, использованных для построения РЭС, в результате резко увеличивается интенсивность отказов ЭРЭ и следовательно снижается надежность РЭС.
На рис. 1.1.4. показано изменение относительной интенсивности отказов, определяемой как отношение интенсивности отказов при температуреtк интенсивности отказов при температуре 20 0С.
Повышение температуры с 20 до 80 0С приводит к увеличению интенсивности отказов электронно-вакуумных приборов в 1,5…2 раза, полупроводниковых приборов в 3…4 раза, резисторов в 2…3 раза, конденсаторов в 6…8 раз, интегральных микросхем - в 6…10paз [6].
Нормальное функционирование РЭС возможно лишь в том случае, если температура используемых ЭРЭ и материалов находится в допустимых пределах, оговоренных техническими условиям на них. Нижняя граница предельно допустимой температуры для подавляющего большинства ЭРЭ и материалов равна . В приведенной ниже таблице приведены сведения о допустимой верхней границе температуры (в0С) для некоторых ЭРЭ и материалов.
ЭРЭ, материалы |
0С |
приборы полупроводниковые (р - ппереход) | |
германиевые |
85…100 |
кремниевые |
125…150 |
резисторы постоянные | |
непроволочные |
160…190 |
проволочные |
300…340 |
конденсаторы | |
электролитические |
80…85 |
бумажные, металлобумажные |
80…90 |
слюдяные |
120…150 |
пленочные |
90…120 |
керамические |
120…150 |
изоляционные материалы | |
волокнистые материалы на основе целлюлозы (бумага, фибра, волокно, шелк, хлопчатобумажные изделия) |
90…105 |
стекловолокнистые материалы, слюда, асбест |
120…130 |
пластмассы |
100…120 |
неорганические материалы (стекло, керамика, кварц) |
более 180 |
Выход температуры за границы предельно допустимых значений приводит к нарушению функционирования РЭC. Для обеспечения надежной работы диапазон температур принимается значительно уже предельно допустимых значений.