Учебно-методическое пособие для курсового проектирования по дисциплине «Конструирование радиоэлектронных средств» для студентов специальности (стр. 8 из 11)

6.5.4 Выбор способа охлаждения на ранней стадии конструирования

На ранней стадии конструирования в распоряжении конструктора имеется ТЗ, причем, как правило, необходимые сведения о требуемом тепловом режиме РЭА заключены в картах тепловых характеристик блоков. Для выбора способа охлаждения прежде всего требуются следующие данные:

- суммарная мощность Р, рассеиваемая в блоке;

- диапазон возможного изменения температуры окружающей среды

Т_сmax, Т_cmin;

- пределы изменения давления окружающей среды p_max, P_min;

- время непрерывной работы τ,

- допустимые температуры элементов Т_i;

Кроме того, необходимо задать коэффициент заполнения аппарата:

где v_i - объем i-го элемента РЭА;

п - число элементов в РЗА;

V - объем, занимаемый РЭА; а также горизонтальные и вертикальные размеры корпуса РЭА соответственно L₁ L₂ и L₃ либо для «больших» элементов - величину охлаждаемой поверхности S_П. Коэффициент заполнения аппарата характеризует степень полезного использования объема и является одним из главных показателей качества конструкции. Коэффициент заполнения должен быть указан в ТЗ или может выбираться на основании опыта конструирования подобных РЭА. Основные размеры корпуса РЭА можно определить прикидочными расчетами компоновки РЭА.

Эти исходные данные недостаточны для детального расчета теплового режима, но их можно использовать для предварительной оценки. Выбор способа охлаждения на ранней стадии конструирования часто имеет вероятностный характер, то есть дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного по ТЗ теплового режима РЭА при выбранном способе охлаждения, а также те усилия, которые нужно затратить при разработке будущей конструкции РЭА с учетом обеспечения теплового режима.

Выбор способа охлаждения РЭА можно сделать с помощью графиков в соответствии с рисунком 6.10, характеризующих области целесообразного применения различных способов охлаждения. Эти области строятся по результатам обработки статистических данных для реальных конструкций, тепловых расчетов и данных испытания макетов. Для удобства пользования графиками необходимо из перечисленных выше исходных данных получить ряд комплексных показателей.

Рисунок 6.10

Размеры корпуса аппарата и коэффициент заполнения используются для определения условной величины поверхности теплообмена:

Если способ охлаждения выбирается для большого элемента, то величина поверхности теплообмена определяется из соответствующих чертежей по геометрическим размерам поверхности, находящейся в непосредственном контакте с теплоносителем.

За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения, принимается величина плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена:

где Р - суммарная мощность, рассеиваемая РЭА с поверхности теплообмена;

К_р — коэффициент, учитывающий давление воздуха (при атмосферном давлении К_р = 1).

Вторым показателем может служить минимально допустимый перегрев элементов РЭА:

где T_imin - допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента по ТЗ, т.е. элемента, для которого допустимая температура имеет минимальное значение; для больших элементов это допустимая температура охлаждаемой поверхности;

Тс ‑ температура окружающей среды;

для естественного охлаждения

т.е. соответствует максимальной температуре окружающей среды, заданной в ТЗ;

для принудительного охлаждения

т.е. соответствует температуре воздуха (жидкости) на входе в РЭА.

На рисунке 6.10 области целесообразного применения различных способов охлаждения приведены в координатах ΔT_c,lgq. Имеется два типа областей. Области, в которых можно рекомендовать применение определенного способа охлаждения, и области, в которых с примерно одинаковым успехом можно применять два или три способа охлаждения. Области первого типа не заштрихованы и относятся к следующим способам охлаждения: 1 — естественное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 -принудительное жидкостное, 9 - принудительное испарительное. Области второго типа заштрихованы: 2 - возможно применение естественного и принудительного воздушного, 4 - возможно применение принудительного воздушного и жидкостного, 6 - возможно применение принудительного жидкостного и естественного испарительного, 7 - возможно применение принудительного жидкостного, принудительного и естественного испарительного, 8 - возможно применение естественного и принудительного испарительного.

Следует заметить, что верхние кривые на рисунке 6.10, соответствующие ΔТс > 373 К (100 °С), обычно применяются для выбора способа охлаждения больших элементов, так как допустимые температуры их охлаждаемых поверхностей часто выше 373 К. Нижние кривые на рисунке 6.10 применяются для выбора способа охлаждения блоков, стоек и т.п., выполненных на дискретных и микроминиатюрных элементах, так как для них обычно ΔТ_С<373 К. Поэтому области целесообразного применения различных способов воздушного охлаждения в верхней части графика не являются продолжением соответствующих кривых в нижней части. Последнее вызвано также и тем, что при охлаждении разветвленных поверхностей больших элементов можно получить более высокие эффективные коэффициенты теплоотдачи.

Приложение В

Порядок расчета теплообмена для нормального атмосферного давления

Для боковых плоскостей ребер длиной D, установленных вертикально:

Для ребер, расположенных горизонтально и вершиной вверх:

Для ребер, расположенных горизонтально и вершиной вниз:

Для торцевых плоскостей ребер радиатора:

Коэффициент теплообмена при излучении

где ε - степень черноты (см. таблицу 3.14);

Т— температура радиатора, К;

Т_с— температура окружающей среды, К;

b - расстояние между стенками ребер, м;

h— высота ребер, м.

Коэффициент теплообмена при внешнем давлении, отличающемся от нормального, будет иметь вид

Приведенные формулы позволяют определить параметры радиатора или тепловой режим установленного на нем активного элемента с практически допустимой погрешностью 10... 15%.

Для естественного охлаждения размеры основания радиатора более 0,150 х 0,150 и высота ребер более 0,04 м становятся малоэффективными, и делать их большими нецелесообразно. Обребрение поверхности охлаждения становится необходимым лишь тогда, когда соблюдается условие

Пример 1

Требуется определить размеры радиатора ребристого типа, предназначенного для охлаждения транзистора мощностью 20 Вт. Максимальная допустимая температура нагрева его корпуса Т_С = 333 К, максимальная температура окружающей среды Тс = 313 К. Покрытие поверхности радиатора глянцевое, лакокрасочное. Транзистор устанавливается на основании радиатора со стороны необребренной поверхности. Термическое сопротивление контактной плоскости установки транзистора принимаем равным 0,25 К/Вт.

Решение

1. Зададим геометрические размеры ребра δ <= 0,003 м, b = 0,004 м, h = 0,02м, D = 0,08м (см. рисунок 6.9).

2. Определим составляющие общего коэффициента теплообмена:

K

Тогда общий коэффициент теплообмена

3. Площадь поверхности охлаждения радиатора определим из формулы(6.16):

м²

4. Длина всех ребер радиатора:

м²

Отсюда определим количество ребер: