Термостатирование

Активное термостатирование позволяет поддерживать температуру с необходимой точностью, что особенно важно для таких объектов как задающие генераторы частоты. В большинстве случаев термостатируется не сам объект, а изотермическая камера с объектом. В состав активных термостатов входит измеритель температуры или датчик, подогреватель или охладитель, изотермическая камера и система регулирования. Толщина стенок изотермической камеры должна выравнивать температурный градиент, вызванный распределением теплового потока нагревателем или охладителем. В термостатах высокой точности для поддержания температуры стационарных устройств внутреннюю камеру изготавливают из красной меди. Термостаты меньшей точности - из Al сплавов. Тепловое сопротивление между датчиком температуры и камерой термостата должно быть минимальным. Воздушные зазоры недопустимы. Постоянная времени датчика должна быть меньше, чем время изменения возмущающего воздействия.

Для уменьшения тепловых потерь внешняя теплоизоляция камеры должна иметь максимально возможное тепловое сопротивление.

(Рис)

1- Объект термостаирования

2- Теплоизоляция теплового демпфера

3- Изотермическая камера

4- нагреватель

5- термоизоляция

6- защитный корпус

7- датчик температуры

8- выводы датчика и объекта термостатирования

Если разница между средней температурой среды и аппаратуры велика, то используют СОТР, работающие в режиме нагрева или охлаждения. Эта система может охватывать отдельные узлы или блоки, иногда РЭС. Вещество, отводящее теплоту, называют хладагентом. Это может быть газ, жидкость, либо твердое тело. Часто в качестве хладагента используется окружающая среда – это воздух или вода.

………………………..

Воздух для аппаратуры наземных или и низколетящих объектов, либо вода для аппаратуры устанавливаемой на плав. средствах. Для высоколетящих объектов или РЭС с большой теплонапряженностью установленные на летательном аппарате использование в качестве хладоагента окружающей среды нецелесообразно. В комбинированных СОТР в качестве хладоагента выступают как окружающая сред так и другие вещества. Изоляция хладоагента позволяет создавать высокоэффективные автономные жидкостные системы. Режимы работы аппаратуры влияет на тепловой режим и конструкцию СОТР, поскольку аппаратура может работать непрерывно или периодически. Непрерывный режим работы иногда бывает кратковременным. Возможность того или иного вида СОТР и их конструкции в значительной степени определяются способом передачи теплоты: конвекция, теплопроводность, излучение.

Теплоотвод конвекцией

Перенос теплоты конвекцией связан сдвижением жидкости или газообраной среды соприкасающейся с твердым телом (элементом конструкции). Тепловая энергия. …..как между твердым телом и средой, так и в самой среде. Конвекция называется естественной если она осуществляется при свободном движении среды, за счет разных плотностей холодной и горячей области. Принудительная конвекция, если движение среды происходит за счет внешних сил. Конвективный теплообмен может быть усилен поглощением теплоты при испарении. Передача теплоты с помощью конвекции подчиняется закону Ньютона-Рихмана.

Ркв=αSΔТ

Ркв – мощность теплового потока (Вт) переносимого при конвективном теплообмене газом или жидкостью в окружающую среду или из окружающей среды.

Α – коэффициент теплоотделения конвекцией от элементов конструкции к окружающей среде

S – площадь поверхности теплоотдачи

ΔТ – перегрев поверхности элементов конструкции относительно окружающей среды

Значение α приводится в соответствующих таблицах. Они определяются физико-механическими, кинематическими свойствами жидкости или газа, скоростью перемещения, формой, шероховатостью и размером поверхностей соприкасающихся с хладоагентом. На основе теории подобия можно объединить физические и геометрические параметры, когда процесс можно описать с помощью небольшого числа безразмерных комплексов. К ним относят следующие критерии подобия.

Nu – характеризует соотношение интенсивностей конвективного теплообмена и теплопроводности в пристеночном слое жидкой или газообразной среды;

Pr – характеризует физические свойства среды;

Gr – характеризует соотношение подъемной и вязкой сил при свободной конвекции в жидкости или газе;

Re – характеризует соотношение сил инерции и трения в потоке теплоносителя;

Для этих критериев приводятся формулы в справочниках. На основе критерия подобия можно определить характер течения хладоагента (ламинарный или турбулентный), от которого зависит эффективность теплоотвода и уровень шума вызванные движением хладоагента.

Такие формулы для ламинарного и турбулентного течения получены на основе критериев, определяются экспериментально, приведены в справочниках. Системы воздушного конвективного теплообмена, естественные или принудительные используют почти во всех наземных РЭС. Применение таких систем для бортовых РЭС ограничено из-за больших габаритов системы воздушного охлаждения и низкой плотности воздуха на высотах более 12 км.

2) Средства охлаждения.

Для интенсификации воздушного охлаждения широко используют теплообменники с развитой поверхностью, которые называют радиаторами.

(рис)

При выборе конструкции радиатора следует учитывать тип производства. При единичном производстве применяют радиаторы изготавливаемые фрезерованием. В серийном производстве может использоваться литье под давлением или штампокой, обеспечивают высокую эффективность но низкую технологичность из-за трудности равномерной припайки спиральной пластины. Радиаторы используют благодаря меньшим габаритам и стоимости систем воздушного охлаждения по сравнению с жидкостными. Для охлаждения стоек шкафов РЭС часто используют малогабаритные осевые вентиляторы. К недостатку таких вентиляторов относится высокий уровень шум и небольшой напор воздуха. Это затрудняет использование для РЭС, имеющее значиельное аэродинамическое сопротивление воздушных каналов. Для принудительной вентиляции сложных стационарных РЭС используют центробежные вентиляторы значительной мощности и габаритов, которые работают на приток или вытяжку.

3) Расчет радиаторов.

Радиаторы выполняют в виде самостоятельной конструкции, либо в виде несущей конструкции которая работает как боковые или задние стенки блока, пульта, шкафа. В изготовлении радиаторов используют в основном алюминиевые сплавы, а также медь, магниевые и бериллиевые сплавы. Относительная эффективность радиаторов при рассеиваемой мощности можно оценить по графикам перегрева.

(рис)

1 – радиатор в виде пластины

2 – штырьковый

3 – штырьковый с обдувом воздуха 2 м/с

Исходными данными при проектировании или выборе радиатора являются:

- предельная температура рабочей области прибора (θ_р)

- температура окружающей среды (θ_с)

- рассеиваемая мощность прибора (Ф_р)

- внутренняя температура сопротивления прибора между рабочей областью и корпусом (r_вн)

- тепловое сопротивление контакта прибор-радиатор (r_к)

Методика расчета:

1. Определяется перегрев, место крепления прибора с радиатором

() – перегрев места крепления прибора с радиатором

2. Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора

()

3. Выбираем тип радиатора по графикам из условия теплообмена. Предполагаем известную удельную мощность рассеивания.

()

4. Определяем коэффициент эффективной теплоотдачи радиатора α_эф. Из графиков по определенному ранее перегреву. В случае вынужденного охлаждения α_эф выбирается по графикам с учетом скорости обдуваемого потока.

5. Определяем площадь основания радиатора: S_р=Ф_р/ α_эф*Δθ_s

6. Определяем средний перегрев основания радиатора во втором приближении:

()

()

()

α_р – коэффициент теплопроводности материала радиатора

δ_р – толщина основания радиатора

S_k – площадь контактной поверхности полупроводникового прибора и радиатора

7. Уточняем площадь основания радиатора с учетом расчетов пункта 6 и окончательно выбираем тип радиатора по таблицам ГОСТ.

Жидкостные системы охлаждения

В тех случаях когда необходимо интенсифицировать теплоотвод при одновременном снижении уровня шума используют жидкостные конвективные системы охлаждения. Ввиду того, что жидкий хладоагент имеет более высокий коэффициент теплоотдачи α из-за большей удельной теплоемкости и плотности, то его скорость, а также шум можно снизить. Однако поглощение выделенной теплоты окружающей средой требует, как правило, применения жидкостно-воздушного теплообменника, создающего высокий шум, но, как правило, он располагается вне охлаждаемого объекта. Уровень шума можно уменьшить, используя теплообменник типа жидкость-жидкость. Жидкостные СОТР являются сложными системами, что обуславливает их высокую стоимость при изготовлении и эксплуатации. Тем не менее такие системы используют в бортовых РЭС т.к. удельная масса их составляет 9-11 кг/кВт отводимой мощности. Обычно жидкостные СОТР разрабатываются и поставляются специализированными организациями. Хладоагент в жидкостных системах может быть изолирован от охлаждаемых элементов и передаваться с помощью трубопровода, либо непосредственно омывать охлаждаемые элементы. Охлаждаемая жидкость в которую погружают элементы должна обладать рядом свойств:

- химическая инертность по отношению к металлам и диэлектрикам

- небольшой и сравнительно стабильный во всем температурном диапазоне диэлектрической проницаемости

- небольшими потерями в диапазоне частот до 500 МГц

- высокой электрической прочности, даже при t_кип, не ухудшающаяся после многократных электрических пробоев

- теплофизическими свойствами лучшими, чем у трансформаторного масла и кремнийорганических жидкостей

К этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет фторорганические жидкости (фреоны). Кроме того фреоны позволяют осуществлять теплоотвод при сравнительно низких температурах из-за его низкой t_кип. В системах с изолированным жидким теплоносителем часто используют воду, аммиак и т.д. иногда применяют этиленгликоль. При разработке жидкостных систем следует учитывать, что причинами коррозии элементов могут быть:

- электрохимическая активность

- высокая температура

- органические и механические примеси

- рентген излучение

Поэтому для исключения коррозии следует избегать использования материалов далеко отстоящих друг от друга в ряду активности. Нежелательно применение резины, особенно в системах, использующих в качестве теплоносителя смеси этиленгликоля с дистиллированной водой. Шланги, в том числе гибкие желательно выполнять из полиэтилена, а трубопроводы из нержавеющей стали. Для уменьшения передачи вибрации применяют металлические сильфонные шланги. Использование шлангов имеющих разъемы с автоматическими клапанами исключающими истекание жидкости при разборке, позволяют улучшить ремонтопригодность СОТР. Т.е. ремонт возможен без слива жидкости. Общим достоинством жидкостных и испарительных систем является постоянство температуры охлаждающей среды. Однако, если температура больше некоторого критического значения, то у стенок образуется сплошная пленка пара, и эффективность теплоотвода снижается. Теплоотвод ухудшается и при наличии ламинарной пленки при течении теплоносителя.

Теплоотвод тепловыми трубами

Одной из наиболее эффективной испарительно-конденсационной системы являются теплоотводящие устройства, называемые тепловыми трубами. Они работают по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла, основанного на испарении жидкости в зоне подвода тепла, передачи тепла с потоком пара и с конденсацией пара в зоне отвода тепла, а также возвращением жидкости в зону подвода тепла за счет капиллярных или гравитационных сил. Тепловая труба представляет собой замкнутую вакуумированную камеру, называемую фитилем, облицованную капиллярной структурой, заполненную конденсатом рабочей жидкости.

(рис)

1 – корпус

2 – фитиль

3 – жидкость

4 – поток пара

Используют при температурах от -273 до 2700 град, что обуславливает разнообразие их конструкции. Кроме того тепловые трубы могут являться частью конструкции узлов РЭС. Они обладают высокой изотермичностью, работоспособностью в невесомости, большим сроком службы (трубы на воде 16000 часов), малой массой и высоким КПД (около 90%). Важным элементом тепловых труб является фитиль, изготавливаемый различными способами. Для тепловых труб РЭС наибольшее применение нашли фитили из металлической сетки, как однослойные, так и многослойные. Размер пор фитиля зависит от типа теплоносителя (для воды 30-70 мкм).

…………………………

Лекция

…………………………

Влияние влаги на эффективность и качество конструкции РЭС

Источники и пути проникновения влаги в РЭС.

В процессе производства хранения и эксплуатации РЭС может подвергаться воздействию влаги содержащейся в окружающем пространстве, а также во внутренней среде термоблоков, материалах конструкций, а также в используемых в РЭС для изготовления конструкций электролитах, травителях и т.д. Максимально возможное содержание влаги в воздухе зависит от давления и температуры. При нормальном давлении зависимость содержания влаги от температуры представлена на графике:

(рис)

При температуре, влажности воздуха ниже уровня соответствующего максимально возможному содержанию влаги (точки росы) избыток влаги выпадает в виде конденсата (росы). Наличие влаги во внутренней среде гермокорпуса РЭС обуславливается следующими причинами:

- проникновение влаги через микропоры из внешней среды

- невозможность полной осушки (без влагопоглотителя) среды заполнения, наличием влаги в корпусных материалах которые используются в конструкциях РЭС в экономическом соображении

Применение клеевых соединений позволяет уменьшить трудоемкость сборки. Полимерные материалы применяют для герметизации соединений, контровки резьбовых соединений, в качестве демпфирующих и виброизолирующих слоев, для маркировки, выполнения неразъемных соединений при сборке узлов из элементов изготовленных из различных материалов. Все полимерные материалы гигроскопичны, т.е. они поглощают влагу в разных направлениях с разной скоростью. Пористые материалы более гигросокпичны чем плотные. В процессе производства и хранения полимерные материалы поглощают влагу из окружающей среды, а при нагреве эта влага выделяется во внутреннюю среду гермокорпуса. Часто в конструкциях полимеры имеют вид тонких пленок, а испарение из них происходит только по торцевой поверхности. Поэтому в них происходит накопление влаги, что может привести к отказам РЭС. В общем случае используемые жидкие материалы (в технологическом процессе) могут являться источниками влаги изагрязнения. Электролиты, травители… нарушают структуру материала и создают полости для накопления влаги, а таже вносят загрязнения. К таким последствиям приводит механическая обработка слоистых пластиков, кроме того источником влаги и загрязнения является пыль и отпечатки пальцев.

Воздействие влаги и материалы конструкции РЭС.

Механизм воздействия влаги зависит от характера материала и его способности поглощать влагу или удерживать влагу на поверхности. Поглощение влаги обусловлено тем, что материал содержит поры значительно больше размеров молекул влаги. Действие влаги усиливается при контакте металлов с сильно отличающимися электрохимическими потенциалами материалов, а также в местах сварных швов, содержащих интерметаллические соединения. Вода обладает полярным химически активным свойством и легкл вступает в соединение с различными металлами и неметаллами. При этом образуются гидраты устойчивые при низких температурах. Еще более активно вода окисляется кислородом, он реагирует с фтором, хлором, соединениями углерода. Щелочные и щелочно-земельные металлы разлагают воду уже при комнатной температуре. Вода является активным катализатором, она обладает высокой диэлектрической проницаемостью. При наличии примесей ионного типа вода имеет высокую проводимость.

Воздействие влаги на материалы и элементы конструкций РЭС.

Это может привести к постепенному или внезапному отказу РЭС. Увлажнение органических материалов обуславливаются следующими явлениями:

- увеличение диэлектрической проницаемости и потерь

- уменьшение объемного сопротивления электрической и механической прочности

- изменение геометрических оазмеров и формы

- изменение свойств смазок

Это приводит к увеличению емкостей, в т.ч. паразитных, уменьшению добротности контуров, снижению пробивного напряжения и появлению отказов РЭС.