Классификация элементов электронной техники по требованиям к тепловому режиму.
Содержание
Введение. 4
1. Способы обеспечения теплового режима силового электронного оборудования 6
1.1 Воздушное охлаждение. 6
1.2 Жидкостное охлаждение. 8
1.3 Испарительное охлаждение. 9
2. Классификация элементов электронной техники по требованиям к тепловому режиму. 15
2.1 Силовые полупроводниковые приборы.. 15
2.1.1 Диоды.. 15
2.1.2 Транзисторы.. 15
2.1.3 Реле. 16
2.2 Процессоры.. 17
2.3 Конденсаторы.. 17
2.4 Трансформаторы.. 18
2.5 Резисторы.. 18
2.6 Методика определения тепловых потерь в элементам.. 19
2.6.1 Сущность метода. 19
2.6.2 Теория метода. 19
2.6.3 Практическая реализация. 21
2.6.4 Градуировка установки. 21
2.6.5 Определение потерь в элементах. 22
2.3.6 Результаты экспериментальных исследований по определению потерь в элементах ИВЭП.. 23
2.7 Выводы: 29
3 Исследование теплового режима электронного силового прибора. 30
4. Оптимизация теплового режима стабилизатора напряжения. 43
4.2 Методика оптимизации теплового режима силовой электронной техники 48
Выводы.. 49
Список использованных источников. 50
Приложение 1. 51
Пример расчета радиатора длиной 300 мм.. 60
Приложение 2. 62
Результаты расчета программы для радиатора длиной 300мм. 62
Приложение 3. 73
Подбор вентилятора. 73
Введение
В каждом из видов электронных средств, будь то вычислительная машина или система управления роботом, CD-проигрыватель или радиолокационная станция, имеется система, устройство или элемент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данное средство элементов.В большинстве случаев первичный источник или стандартная сеть по частоте, стабильности или напряжению оказываются непригодными для питания электронных устройств. Поэтому возникает необходимость преобразования электрической энергии. Класс устройств, преобразующий электрическую энергию, весьма разнообразен и охватывает диапазон мощностей от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Устройства, преобразующие вид и качество электрической энергии называют источниками вторичного электропитания (ИВЭП).
|
|
|
Для надежной и долговечной работы любого радиоэлектронного устройства необходим грамотный подход к конструированию и проектированию источников электропитания этого устройства. Основной задачей конструирования и проектирования источников питания, наряду с выбором варианта конструкции, обеспечением электромагнитной совместимости, устойчивости к механическим воздействиям, унификации, миниатюризации, технологичности и надежности, является обеспечение заданного температурного режима блока электропитания. Если основным средством миниатюризации любых систем обработки и хранения информации электронных средств, является повышение уровня интеграции микросхем, то для вторичных источников электропитания наибольший эффект достигается улучшением тепловых режимов, наряду с повышением КПД. Широкое применение в современных источниках вторичного электропитания микросхем и микросборок привело к тому, что расчет тепловой напряженности элементов, при проектировании, приобрел особое значение, так как допустимый перегрев становится наиболее объективным критерием оценки надежности и долговечности прибора.
|
|
|
В настоящей работе рассматривается один из возможных путей улучшения тепловых режимов для приборов силовой электроники.
Способы обеспечения теплового режима силового электронного оборудования
При обеспечении необходимого теплового режима РЭА основные трудности связаны с отводом тепла, т.е. охлаждением. В процессе переноса тепловой энергии в РЭА существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение. В зависимости от вида конвективного переноса тепловой энергии способы охлаждения РЭА часто разделяют на классы. При конвективном отводе тепла от РЭА используются теплоносители в различных фазовых состояниях, перемещение которых осуществляется естественным или принудительным образом. Учитывая тип и состояние теплоносителя, а также причину, вызвавшую его движение, способы охлаждения РЭА можно разделить на следующие основные классы: газовое (воздушное), жидкостное, испарительное, а также естественное и принудительное.[1]
|
|
|
Воздушное охлаждение
Естественное воздушное охлаждение РЭА является наиболее простым, надежным и дешевым способом охлаждения и осуществляется без затраты дополнительной энергии. Однако интенсивность такого охлаждения невелика, поэтому использование этого способа возможно при небольших удельных мощностях рассеивания.
Различают две основные схемы естественного воздушного охлаждения блоков и стоек РЭА: с герметичным и перфорированным кожухом (рис. 1.1). В герметичном кожухе (рис. 1.1, а) конвективный теплообмен осуществляется от элементов РЭА к воздуху внутри аппарата, от воздуха к кожуху аппарата, от кожуха к окружающей среде (воздуху). При перфорированном кожухе (рис. 1.1, б) конвективный теплообмен в основном происходит между элементами РЭА и окружающей средой (воздухом), проникающей сквозь перфорации. Естественное воздушное охлаждение РЭА с перфорированным кожухом позволяет обеспечить тепловой режим при более высоких удельных мощностях рассеивания, чем при герметичном кожухе.
|
|
|
Интенсификация теплообмена при естественном воздушном охлаждении возможна за счет рационального конструирования РЭА: оптимального расположения элементов РЭА и перфораций кожуха, применения экранов, оребрения отдельных поверхностей, использования теплопроводных шин, замазок, компаундов, соответствующей окраски излучающих поверхностей и т. п.
Для интенсификации конвективного теплообмена между РЭА и окружающей средой используют принудительное движение воздуха, создаваемое специальными устройствами, главным образом вентиляторами. Работа устройств приводит к дополнительному расходу энергии.
Принудительное воздушное охлаждение получило наибольшее распространение, так как позволяет при более высоких удельных мощностях рассеивания обеспечить нормальный тепловой режим РЭА при относительной простоте и небольшой стоимости систем обеспечения теплового режима (СОТР).
Рис. 1.1. Схемы воздушного охлаждения блоков:
а – естественное воздушное охлаждение РЭА в герметичном кожухе; б – то же в перфорированном кожухе; в – принудительное воздушное охлаждение РЭА с внутренним перемешиванием; г – то же с наружным обдувом; д – то же холодным воздухом; 1 – кожух аппарата; 2 – платы с элементами РЭА; 3 – перфорированные отверстия; 4 – вентилятор.
Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения: внутреннее перемешивание, наружный обдув, продувку (см. рис. 1.1, в–д). Схема принудительного воздушного охлаждения РЭА с внутренним перемешиванием приведена на рис. 1.1, в. В этой схеме для интенсификации конвективного теплообмена между элементами РЭА и герметичным кожухом внутри аппарата установлен вентилятор. Теплообмен между кожухом аппарата и окружающей средой происходит так же, как при естественном воздушном охлаждении РЭА с герметичным кожухом. Схема принудительного воздушного охлаждения РЭА с наружным обдувом приведена на рис. 1.1, г. В этом-случае теплообмен между элементами РЭА и воздухом внутри герметичного кожуха осуществляется так же, как при естественном воздушном охлаждении РЭА, а для интенсификации теплообмена между кожухом и воздухом окружающей среды установлен вентилятор. На рис. 1.1, приведена схема с продувкой, здесь воздух из окружающей аппарат среды или предварительно охлажденный в специальных устройствах (теплообменниках, кондиционерах и т. д.) пропускается через специальные каналы и охлаждает элементы РЭА. Эта схема применяется наиболее широко в практике конструирования СОТР РЭА.
Жидкостное охлаждение
Принудительное жидкостное охлаждение применяется при высоких удельных мощностях рассеивания. Наибольшее распространение этот способ получил при охлаждении больших элементов, когда однофазная жидкость прокачивается насосом через специальные каналы в охлаждаемых узлах приборов (электроды мощных ламп, трансформаторы и т. д.). При отводе тепла от блоков жидкость прокачивается через каналы, выполненные в платах или кожухе аппарата.
В качестве жидких теплоносителей обычно применяются: вода, водо-спиртовые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические жидкости. Выбор типа теплоносителя является одной из главных проблем при разработке принудительного жидкостного охлаждения, так как к теплоносителям предъявляются разнообразные требования (теплофизические, электрические и др.). При жидкостном принудительном охлаждении возможны все три режима движения: ламинарный, переходный и турбулентный. Опыт проектирования таких систем показывает, что чаще всего мы встречаемся с переходным либо турбулентным режимом и гораздо реже с ламинарным. Конструкция РЭА при жидкостном охлаждении, как правило, значительно сложнее, чем при воздушном. Однако при высоких удельных мощностях рассеивания жидкостное охлаждение РЭА является единственно возможным, поэтому в современных радиоэлектронных приборах этот вид охлаждения находит широкое применение.
Испарительное охлаждение
Естественное испарительное охлаждение обычно позволяет повысить удельную мощность рассеивания РЭА и применяется для теплонагруженных блоков и больших элементов. Охлаждаемая поверхность погружается в жидкость, над которой имеется паровой объем, отвод тепла осуществляется в процессе кипения жидкости на охлаждаемой поверхности. Движение теплоносителя происходит за счет разности плотностей. Разность температур между охлаждаемой поверхностью и кипящей жидкостью обычно мала, поэтому температура кипения выбранного теплоносителя при определенном давлении должна быть чуть ниже заданной в ТЗ допустимой температуры охлаждаемой поверхности.
Рассматриваемый способ охлаждения радиоэлектронной аппаратуры имеет ряд особенностей. При определенных значениях удельных мощностей рассеивания жидкость на охлаждаемой поверхности начинает кипеть, возникают пузырьки, которые отрываются от этой поверхности и движутся к границе раздела жидкость — пар. Движение пузырей вызывает перемешивание жидкости вблизи центров парообразования. По мере роста мощности, рассеиваемой охлаждаемой поверхностью, количество действующих центров парообразования и частота отрыва пузырей возрастает и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Этот режим кипения называется пузырьковым и часто применяется при естественном испарительном охлаждении РЭА. При значительном увеличений рассеиваемой охлаждаемой поверхностью мощности, возникающие на этой поверхности пузыри сливаются в сплошную пленку, которая оттесняет жидкость, от поверхности, и условия теплоотдачи резко ухудшаются. Этот режим кипения называется пленочным и сопровождается резким повышением температуры охлаждаемой поверхности. Значения удельной мощности рассеивания, коэффициента теплоотдачи и других параметров, соответствующих переходу пузырькового режима кипения в пленочной, называют критическими, а само явление — кризисом кипения, Возникновение кризиса кипения зависит от многих факторов, но главным образом от типа теплоносителя, удельной рассеиваемой мощности и характера охлаждаемой поверхности. Возможен и обратный переход: от пленочного кипения к пузырьковому.
Естественное испарительное охлаждение считается одним из перспективных, поэтому в последнем десятилетии появилось много работ по исследованию этого способа охлаждения. Схемы могут быть весьма разнообразны, однако общим для всех является использование испарения и кипения жидкости для отвода тепла и отсутствие механических устройств для движения жидкости и пара. Широкое применение получают фитильные испарительные системы и так называемые «тепловые трубы». В этих системах для транспортировки жидкости используется капиллярный эффект. Охлаждаемая поверхность не погружается в жидкость, а смачивается жидкостью, которая находится в капиллярах фитиля, обволакивающего поверхность. Отвод тепла от охлаждаемой поверхности осуществляется испарением жидкости из капилляров фитиля, Как и в описанном выше случае, при определенных значениях теплового потока режим испарения переходит в режим пузырькового кипения. При дальнейшем увеличении теплового потока и более интенсивном пузырьковом кипении происходит «запаривание» капиллярной структуры, паровые пузыри сливаются в крупные образования, резко падает коэффициент теплоотдачи. Таким образом, кризис кипения в этих системах может иметь место при тепловых потоках, соответствующих режиму развитого пузырькового кипения теплоносителя.
Принудительное испарительное охлаждение выполняется примерно по такой же схеме, как и принудительное жидкостное охлаждение. Жидкость с помощью насоса прокачивается через специальные каналы, в охлаждаемых узлах. Если допустимая температура охлаждаемой поверхности будет выше температуры насыщения теплоносителя при данном давлении, а температура теплоносителя в ядре потока поддерживается равной или меньшей температуры насыщения, то в небольшом поверхностном слое вблизи охлаждаемой поверхности начнется процесс пузырькового кипения. Возникающие в поверхностном слое пузыри будут под действием потока жидкости удаляться с поверхности и конденсироваться в ядре потока. Зарождение, движение и конденсация паровых пузырей вызывают интенсивный теплообмен между поверхностным слоем и ядром потока жидкости (особенно, если оно недогрето). При этом плотность теплового потока может достигать очень больших величин. Предельные мощности рассеивания ограничены переходом пузырькового режима кипения в пленочный. Однако благодаря интенсивному движению холодного ядра жидкости кризис кипения при принудительном испарительном охлаждении наступает при гораздо более высокой мощности рассеивания, чем при естественном испарительном охлаждении.
Принудительное испарительное охлаждение является самым эффективным из всех перечисленных способов охлаждения и позволяет обеспечить нормальный тепловой режим РЭА при максимальных удельных мощностях рассеивания.
В некоторых исследованиях предлагается использовать для охлаждения РЭА вместо воздуха другие газы. В табл. 1 приведены относительные значения основных параметров некоторых газов по сравнению с воздухом при атмосферном давлении и температуре газа 273 К (20°С). Сравнение проведено при условии, что все газы снимают одинаковые тепловые нагрузки при одинаковых температурах газов на входе и выходе канала и турбулентном течении. Отметим, что применение специальных газов для охлаждения РЭА связано с большими конструктивными трудностями и может быть оправдано при создании герметичных замкнутых контуров с постоянной подпиткой в условиях, когда любой газ необходимых параметров, в том числе и воздух, одинаково трудно приготовить. Такие условия могут наблюдаться в контейнерах высотных самолетов и космических аппаратов.
| Газ | Весовой расход | Объемный расход | Коэффициент теплоотдачи | Потери давления | Мощность вентилятора | Диэлектрическая постоянная |
| Воздух | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Гелий | 0,19 | 1,4 | 1,52 | 0,37 | 0,93 | 0,13 |
| Азот | 0,97 | 1 | 1 | 1,04 | 0,88 | 1 |
| Водород | 0,07 | 0,98 | 1,44 | 0,1 | 0,09 | 0,07 |
| Двуокись углерода | 1,14 | 0,68 | 1,05 | 0,65 | 0,59 | — |
| Аргон | 1,94 | 1,4 | 0,62 | 2,47 | 3,45 | — |
Таблица 1. Относительные параметры газовых теплоносителей
В заключение заметим, что способы охлаждения РЭА существенно влияют на ее конструкцию, поэтому их нужно выбирать на ранней стадии конструирования. В последующих параграфах этой главы мы познакомим читателя с особенностями конструкций РЭА при различных способах воздушного охлаждения. Эти материалы, по нашему мнению, должны расширить кругозор конструктора, но ни в коем случае не ограничить его творчество в поисках лучших решений.
Классификация элементов электронной техники по требованиям к тепловому режиму.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 439; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!