Теплофизическое конструирование приборной аппаратуры

6.1.Основы теории теплообмена

Тепловой режим прибора

Общий температурный фон прибора определяется удельной мощностью тепловыделения и плотностью теплового потока, проходящего сквозь кожух прибора. Удельная мощность рассеяния и температура внутри прибора возрастает с увеличением плотности компоновки и уменьшением объема прибора.

Общий баланс энергии в приборе можно выразить уравнением

,

где Е_п -энергия, потребляемая прибором от источников питания; Е₁-полезная энергия; Е₂-энергия, рассеиваемая в окружающее пространство; Е₃-тепловая энергия, вызывающая нагревание компонентов и деталей.

Основной характеристикой прибора, как потребителя, преобразователя энергии, является коэффициент полезного действия (КПД), который равен

Повышение КПД возможно только за счет уменьшения значений Е₂ и Е₃ , являющихся функцией качества преобразования энергии прибором. Пути уменьшения показателя Е₃ - это снижение рассеиваемой мощности компонентов, расширение воздушных каналов в местах установки компонентов, улучшение теплоотвода и организация твердых теплостоков на холодные поверхности. Уменьшение значений Е₂ и Е₃ способствует обеспечению надежности ПА.

Известно, что повышение температуры способствует росту интенсивности отказов компонентов электронных узлов и вызывает ускоренное старение конструкционных материалов. По этой причине при разработке конструкций ПА необходимо обеспечить хороший теплообмен прибора с окружающей средой, т.е. в пределах возможного снизить величину Е₃ или улучшить отношение Е₂/Е₃.

Под тепловым режимом прибора понимают пространственно-временное распределение температуры в приборе, соответствующее определенному температурно-временному распределению тепловыделения [17]. Под заданным тепловым режимом в приборе понимают такой тепловой режим, при котором температура каждого из входящих элементов прибора равна заданной или не выходит за пределы, указанные для этого элемента. Количественно тепловой режим прибора принято характеризовать температурным полем и перегревом.

Температурным полем называют совокупность численных значений температуры в различных точках конструкции в определенный момент времени. Температурное поле называется стационарным, если температуры во всех точках конструкции постоянны во времени. Если температуры во всех точках системы в любой момент времени равны между собой, то поле называется равномерным. Стационарное поле характеризует стационарный тепловой режим.

Перегревом принято называть разность между температурой некоторой точки (области) конструкции прибора и температурой окружающей среды.

Между элементами конструкции происходит теплообмен, т.е. перенос тепловой энергии из одной части конструкции в другую или в окружающую среду. Тепло передается от нагретых элементов к элементам с более низкой температурой.

Теплообмен между нагретыми телами и окружающей средой, т.е. между конструкциями и средой, количественно характеризуется тепловым потоком и его плотностью. Тепловым потоком называется количество тепла Q, передаваемое от тела с более высокой температурой к телу (или среде) с более низкой температурой в единицу времени t, т.е. P=Q/t. Тепловой поток, отнесенный к площади изотермической поверхности (т.е. поверхности, в любой точке которой температуры условно одинаковы), называют плотностью теплового потока

q=Q / (tS) =P / S, где S –площадь изотермической поверхности.

По тепловой нагруженности конструкции делятся на теплонагруженные и нетеплонагруженные. Тепловая нагрузка до 0,05 Вт / см² условно называется малой, а свыше 0,05- большой. В приборах с малой тепловой нагрузкой при естественной конвекции температура среды внутренних объемов не превышает окружающую температуру более чем на Dt=30⁰ C. Теплонагруженные блоки требуют принудительного охлаждения, вид и способ которого зависит от плотности теплового потока.

В общем случае теплообмен осуществляется с помощью трех видов передачи тепла: теплопроводностью, конвекцией и излучением [7,17]. В конструкциях приборов при нормальных климатических условиях и естественном охлаждении 10% тепла отводится за счет теплопроводности, около 70% за счет конвекции и приблизительно 20% излучением.