5.2.3. Испарительные системы охлаждения рэс

Для отвода от теплонагруженных ЭРЭ тепловых потоков очень больших плотностей (свыше 5·10⁵ Вт/м²) применяются испарительные системы, в которых для отвода тепла используется процесс кипения жидкости. Очевидно, в этом случае температура источников тепла должна быть выше температуры кипения жидкости. Одна из возможных схем испарительно-жидкостной системы представлена на рис. 5.2.3. Высокая плотность теплового потока достигается сочетанием вынужденной конвекции и кипения теплоносителя.

Прогоняемая через аппарат жидкость при контакте с нагретой поверхностью закипает. Парожидкостная смесь поступает в сепаратор, где происходит разделение жидкости и пара. Пар поступает в конденсатор (теплообменник), а образующийся конденсат стекает вниз, откуда вместе с жидкостью сепаратора вновь поступает на охлаждение РЭС.

Рис. 5.2.3. Жидкостно-испарительная система охлаждения

Кроме жидкостно-испарительных систем охлаждения применяются газо-испарительные системы, в которых охлаждение нагретых поверхностей производится вынужденным потоком газа, содержащим мелкие капли жидкости (рис. 5.2.4). Охлаждение осуществляется конвекцией и испарением капель жидкости, осевшей на нагретой поверхности (явление Лейденфроста).

Рис. 5.2.4. Газо-испарительная система охлаждения

Эффективность газо-испарительных систем ниже жидкостно-испарительных систем, но значительно выше воздушных.

Конструктивное выполнение рассмотренных жидкостных и испарительных систем может быть самым различным. В ряде случаев элементы систем охлаждения (теплообменник, сепаратор, конденсатор) выполняются как единое целое с конструкцией аппарата.

5.2.4. Кондуктивные системы охлаждения рэс

Кондукция как механизм переноса тепла играет определенную роль во всех рассмотренных выше системах охлаждения, поскольку перенос тепла от источников к охлаждаемой поверхности (поверхности деталей, шасси платы) осуществляется благодаря кондукции. Однако здесь кондукция не определяет названия системы охлаждения, так как в них действуют более интенсивные механизмы теплообмена и переноса тепловой энергии. В кондуктивных системах охлаждения теплопроводность является основным механизмом переноса тепла.

Кондуктивное охлаждение наиболее часто применяется как метод локального охлаждения. Однако он находит применение и для общего охлаждения в блоках с очень высокой плотностью монтажа и большой объемной плотностью тепловых потоков.

Принцип кондуктивного охлаждения РЭС изображен на рис. 5.2.5. Плата 1, на которой смонтированы ЭРЭ, имеет хороший тепловой контакт с металлическими шинами 2, выполняющими функции теплостоков. По теплостокам тепловая энергия поступает к коллектору 3, охлаждаемому при помощи воздушного или жидкостного теплообмена.

Рис. 5.2.5. Кондуктивная система охлаждения

К кондуктивным системам охлаждения относятся также термоэлектрические охлаждающие устройства и тепловые трубы.

5.2.5. Система охлаждения, основанная на скрытой теплоте плавления

Метод отвода тепла, основанный на использовании скрытой теплоты плавления вещества, рекомендуется для РЭС, в которой элементы работают в режиме повторно кратковременной нагрузки (несколько минут), когда температура прибора не успевает достигнуть своего стационарного значения. Достоинство метода состоит в получении значительного выигрыша в массе и размерах теплоотводов по сравнению с цельнометаллическими различных типов [27].

Применение данного метода основано на увеличении времени нестационарного теплового режима прибора путем использования различных конструкций охлаждающих устройств, заполненных плавким хладагентом (рабочим веществом), фазовые превращения которого происходят при температурах ниже предельно допустимых для приборов. Уменьшение скорости нагрева полупроводниковых приборов и значительное снижение температуры на р-п переходе достигаются способностью легкоплавкого хладагента аккумулировать в процессе нагрева и фазового превращения (из твердой фазы в жидкую) значительное количество тепла, выделяемого полупроводниковым прибором.

При фазовом переходе поглощается значительное количество тепла хладагентом, и температура около прибора стабилизируется за счет наступления динамического равновесия между выделением тепла и его потерями на плавление хладагента и путем передачи тепла в окружающую среду. Плавящиеся рабочие вещества обладают большой теплотой фазовых превращений и позволяют многократно их использовать при воздействии пиковых тепловых нагрузок. Отвод поглощенного рабочим веществом тепла осуществляется в перерывах между включениями РЭС.

Рабочее вещество должно обладать следующими свойствами: отсутствием гигроскопичности, стойкостью против кислот и щелочей, отсутствием взаимодействия с металлами, хорошими диэлектрическими свойствами. Плавление и отвердевание должны происходить без трещин и раковин, без значительного изменения объема. В качестве легкоплавких веществ рекомендуется использовать парафин, воск, стеариновую и элаидиновую кислоту, уретан и др.

В табл. 5.2.5.1 приведены свойства веществ, рекомендуемых для данного способа охлаждения [27].

В качестве дешевого и доступного рабочего вещества целесообразно применять парафин, при этом необходимо учитывать, что температура окружающей среды должна быть менее 40…50^ОС, а удельная мощность рассеяния в объеме - меньше 2.10⁵ Вт/м³.

Таблица 5.2.5.1

	Парафин	Воск	Стеариновая кислота	Элаидиновая кислота	Уретан
Температура плавления,	54	63	70	47	49
Плотность в жидком состоянии, кг/м^3	760	785	838	850	986
,	0,268	0,088	0,445	-	-
Теплоемкость,	2,32	-	2,5	-	-
Скрытая теплота плавления, 10^3Дж/кг	1,56	177	200	214	172

Устройство для охлаждения изделий электронной техники (ИЭТ) с использованием плавящихся веществ представляет собой металлическую емкость конечных геометрических размеров с гладкой или оребренной поверхностью. Герметичный объем емкости заполнен рабочим веществом. Охлаждаемые ИЭТ могут находиться вне объема с рабочим веществом и соприкасаться с ним через разделяющую герметичную оболочку или находиться непосредственно внутри объема с рабочим веществом. Обе конструкции устройств с использованием плавящихся веществ обладают своими преимуществами и недостатками и могут применяться в зависимости от конкретных условий эксплуатации и требований к аппаратуре.

Конструкции с изолированным от ИЭТ рабочим веществом более удобны в эксплуатации, а конструкции с непосредственным заполнением блока с ИЭТ рабочим веществом имеют лучшие условия для отвода тепла, но ремонт блоков затруднен при выходе из строя ИЭТ.

Наиболее распространенной является конструкция первого типа. Наружная и внутренняя поверхности герметичной оболочки могут иметь оребрение для увеличения теплообмена с рабочим веществом и окружающей средой. В связи с тем, что рабочее вещество изменяет свой объем в процессе работы, в конструкции устройства предусматривают соответствующую компенсацию изменения объема с помощью мембраны, сильфона или за счет заполнения объема перегретой жидкостью (если конструкция жестка и не изменяет своего объема при нагреве и охлаждении). Поэтому при жесткой конструкции заправку рабочим веществом производят при максимальной температуре жидкого рабочего вещества, которой оно может достигнуть в процессе работы. В таких конструкциях после затвердевания может образоваться газовая полость, которая ухудшит теплообмен вещества с оболочкой. Чтобы избежать этого, необходимо делать конструкцию теплоотвода с расширяющейся в объеме емкостью.

Внутри объема необходимо предусмотреть полость или оребрение в конструкции. Последние обеспечат контакт рабочего вещества с металлической оболочкой, на которой находится охлаждаемый прибор, при любой температуре вещества. На рис. 5.2.6 показан электронный блок, охлаждаемый с помощью плавящегося вещества. Блок установлен на охлаждающуюся конструкцию, которая поглощает аккумулированное плавящимся веществом тепло.

При естественной воздушной конвекции нестационарный тепловой режим работы определяется (без учета изменения агрегатного состояния вещества) по формуле , где - температурный напор в момент времени ; - температурный напор в стационарном режиме; т - темп нагревания блока, определяемый по формуле

,

где S - поверхность теплоотдачи кожуха; - коэффициент теплоотдачи с поверхности кожуха; - толщина стенок кожуха; - коэффициент теплопроводности материала кожуха.

Рис. 5.2.6. Электронный блок, охлаждаемый с помощью

плавящегося вещества 1 - электронный блок; 2 - кожух; 3 - плата из бериллия; 4 - основание; 5 - ребра; 6 - емкость с плавящимся веществом; 7 - охлаждаемая конструкция

Способ отвода тепла от полупроводниковых приборов, основанный на использовании скрытой теплоты плавления вещества, рекомендуется для индивидуальных полупроводниковых приборов и группы приборов с мощностью рассеяния до 100 Вт.