Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

давление в контакте; В — ко-

эффициент, характеризующий

геометрические свойства по-

верхностей; Е — модуль упру-

гости материала. Выражение

для отношения η/φ справед-

ливо для поверхностей с чис-

тотой обработки от 3-го до

10-го класса, материалов с мо-

дулем упругости Е > 10

Па и

при относительных нагрузках

на контактных поверхностях

р/Е=5•10

-6

...5•10

-4

. Значение коэффи

циента В находят из графика

рис.5.28.

После подстановки в формулу (5.43) выражения для η/φ формула

расчета удельного сопротивления фактического контакта принимает

вид

м . уд

=10

-4

-[2.12λ

(рВ/Е)

0.8

]

-1

К/Вт.

Тепловая проводимость прослойки межконтактной среды σ

с. уд

= λ

/δ

экв

, где λ

— коэффициент теплопроводности среды; δ

экв

=(h

СР1

СР2

)(1-m

) — эквивалентное расстояние между контактирующими

поверхностями; h

СР1

и h

СР2

— средние высоты микронеровностей

контактирующих поверхностей; т

— коэффициент заполнения профиля

микронеровностей.

Значение ( 1 -т

) находят с

помощью графика рис. 5.29.

После того как величины R

м. уд

и σ

С. УД

определены, можно

найти тепловую проводимость

контакта

= (1/R м.уд + σ

уд

)Sк.

где S

— площадь контакта.

Таким образом, величина теп-

ловой проводимости контакта за-

висит от коэффициентов тепло-

проводности материалов контакти-

рующих поверхностей, теплофизи-

ческих свойств межконтактной

213

Рис.

5.28. График зависимости

коэффициента В от шероховатости

контакти

рующих поверхностей

Рис. 5.29. Зависимость

коэффициента

) от суммы средних

высот микро

среды, качества обработки контактирующих поверхностей, удельного

давления в контакте и площади контакта.

Для металлических поверхностей удельная тепловая проводимость

контакта определяется физико-механическими свойствами материа-

лов, чистотой обработки контактирующих поверхностей и удельным

давлением. При удельном давлении более 2000 Н/см

, что характерно,

например, для резьбовых соединений, удельная тепловая проводи-

мость контакта практически не зависит от давления. Значения удель-

ной тепловой проводимости для некоторых контактирующих материа-

лов с шероховатостью поверхности R

= 20 и удельным давлением в

контакте 1000 Н/см

приведены в табл. 5.8.

Таблица 5.8

Материал контактирующих

пар

уд

•10

, Вт/(м

∙К)

Медь — алюминий 12,5

Медь — медь 10

Медь — латунь 5,5

Медь — сплав Д16Т 5,0

Сплав Д16Т — сплав Д16Т 4,0

Сталь — медь 1,2

Сталь — сплав Д16 0,83

Сталь — сталь 1,5

Сталь

—

сталь (резьбовое

соединение)

0,17

Металл — краска — металл 0,05

Металл — стекло 3... 6,4

Используя данные табл. 5.8, можно для приведенных пар контакти-

рующих поверхностей провести оценку тепловой проводимости контакта ,

как σ

=σ

УД.

•S

где S

— площадь поверхности контакта.

5.4.2. Конструкции контактов в кондуктивных системах охлаждения

Кондуктивные цепи передачи тепла содержат два вида тепловых

контактов: неразъемные и разъемные.

Неразъемные тепловые контакты характерны для конструкций фун-

кциональных ячеек и представляют собой звено теплопередачи от теп-

ловыделяющего элемента к теплоотводящей шине. Тепловой контакт

обычно обеспечивается за счёт пайки, сварки и склеивания мест соеди-

214

нений, а также с помощью заклепок и винтов. В последних случаях для

уменьшения теплового сопротивления рекомендуется заполнять кон-

такты теплопроводящими пастами (например, КПТ-8) или клеями, ис-

пользовать в контактах пластичные прокладки из меди, свинца и алю-

миния. Применение теплопроводящих паст эффективно при шерохова-

тости контактирующих поверхностей выше R

= 20 и позволяет снять

зависимость теплового сопротивления контакта от удельного давле-

ния.

В конструкциях функциональных ячеек на интегральных микросхе-

мах неразъемные тепловые контакты образуют корпуса микросхем с

теплоотводящими шинами.

Вариант установки микросхемы в

корпусе типа 4 на теплоотводящую

шину показан на рис. 5.30, Теплоотво-

дящая шина 4 монтируется на печат-

ной плате 3 со стороны расположения

контактных площадок для пайки вы-

водов микросхем. Микросхема 1 при-

клеивается к шине, выводы микросхе-

мы распаиваются на контактные пло-

щадки 2 печатной платы. Материалом

для теплоотводящих шин и кондуктивных теплостоков в виде

металлических оснований служат сплавы алюминия, медь и ее сплавы.

Применение теплоотводящих шин и металлических оснований позволяет

снизить перегрев корпусов микросхем при естественном воздушном

охлаждении конструкций приблизительно на (10...20)%. Для

достиженияуказанного эффекта

толщина шин и

оснований из сплавов алюминия

должна быть не менее 1 мм, из меди

и ее сплавов — не менее 0,5 мм.

Установка микросхем в корпусах

типов 1 и 4 на металлические основа-

ния производится согласно рис. 5.31.

Основание наряду с функцией кон-

дуктивного теплостока обычно вы-

полняет роль несущего элемента

кон-

струкции. На основании закрепляется

печатная плата 2, пайка выводов мик-

росхем производится в отверстиях

(рис. 5.31,а) или окнах (рис. 5.31,6),

выполненных в основании. Как и в

случае с теплоотводящей шиной,

215

Рис. 5.30. Установка

микросхемы на

теплоотводящую шину

Рис.

5.31. Установка микросхем

на

металлические основания:

а — микросхема в корпусе типа 1;

б — микросхема в корпусе типа 4

микросхемы для уменьшения теплового сопротивления между основа-

нием и корпусами устанавливаются на основании с помощью клея. Ве-

личина теплового сопротивления контакта зависит от теплопроводно-

сти клея. При увеличении коэффициента теплопроводности клея от

0,2 до 1,8 Вт/(м • К) перегрев микросхем, установленных на алюминие-

вых основаниях, снижается приблизительно на 10%, на медных основа-

ниях — на 23%.

Кондуктивные теплостоки в виде металлических рамок с планками

и оснований используются в конструкциях функциональных ячеек

цифровых РЭС на бескорпусных микросборках Микросборки закреп-

ляются на планках металлических рамок (конструкции односторонней

и сдвоенной функциональных ячеек) и основаниях (двухсторонняя

функциональная ячейка) с помощью клея.

В конструкциях СВЧ-узлов подложки микросборок выполняются из

материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (поликор,

брокерит-9) и крепятся к основанию-теплоотводу или с помощью пай-

ки по металлизированной поверхности подложки, или одним из меха-

нических способов, обеспечивающих надежный тепловой электриче-

ский контакт.

Фрагмент конструкции СВЧ-устройст-

ва на микросборках приведен на рис. 5.32.

Бескорпусные СВЧ-микросборки 1 припа-

иваются к основанию — теплоотводу 3.

Мощный транзистор 2 размещается в спе-

циальном углублении непосредственно на

основании и закрепляется с помощью пай-

ки по металлизированной поверхности

подложки.

Разъемные тепловые контакты (тепло-

вые разъемы) обеспечивают сток тепла с

тепловых шин и металлических оснований

на теплообменник. В конструкциях РЭС с

естественным воздушным охлаждением функции теплообменника

выполняет корпус или элементы конструкции с развитой поверхностью

(радиаторы). Включение теплового разъема создает непрерывную

кондуктивную цепь теплопередачи «источник тепла — теп л о отводящая

шина — тепловой разъем — корпус». Однако все разработанные и

применяемые в конструкциях РЭС тепловые разъемы имеют недостатки:

сложность конструкции, неудобство в эксплуатации, низкая

производственная технологичность и др. Следует также иметь в виду,

что использование тепловых разъемов ведет к ухудшению

массогабаритных показателей конструкций РЭС.

216

Рис. 5.32. Фрагмент

конструкции СВЧ-

устройства

на микросборках

Тепловые разъемы принято классифицировать по типу рабочего

элемента, замыкающего цепь теплопередачи от функциональной ячей-

ки 1 к теплообменнику 2 (рис. 5.33); рабочими элементами тепловых

разъемов служат ребро, паз, цилиндр, конус, клин и плоскость.

Рис. 5.33. Конструкция тепловых разъемов с рабочими элементами:

а — ребро; б — паз; в — цилиндр; г — корпус; д — клин; е — плоскость

Пример реализации кондуктивной

цепи теплопередачи в конструкции

РЭС дан на рис. 5.34. На печатной

плате 5 с двух сторон установлены

теплоотводящие шины 4, на которых

закреплены корпуса интегральных

микросхем 3.Теплоотводящие шины

соединены с ребристым тепловым

разъемом 2. В ответной части разъема

предусмотрен канал 1 системы

принудительного жидкостного

охлаждения .Конструкция обладает

низким тепловым сопротивлением по

всей плате (0.3…0.45К/Вт) и

обеспечивает возможность оператив

ной замены ячеек в устройствах.

Рис. 5.34. Конструкция ФЯ

с тепловым разъемом

217

Величина теплового сопротивления в разъеме определяется пло

щадью поверхности теплопередачи (рис. 5.33, а), повышением точно-

сти соединения (рис. 5.33, б, в) и усилием сжатия поверхностей (рис.

5.33.

г. д. е).

5.4.3. Основы расчета радиаторов

В кондуктивных системах охлаждения функции теплообменников с

окружающей средой часто выполняют радиаторы — элементы системы

охлаждения с развитой поверхностью теплообмена. Поверхность теп-

лообмена радиаторов увеличивается за счет их оребрения. С поверхно-

сти ребер тепловой поток передается в окружающее пространство кон-

векцией и излучением. При этом величина теплового потока определя-

ется выражением

P =α

K(t-t

где (α

. — коэффициент теплопередачи; К

— коэффициент эффективности

ребра; S

— площадь поверхности радиатора; t — среднеповерхностная

температура радиатора; t

— температура окружающей среды.

Эквивалентный коэффициент теплопередачи α

. обусловлен кондуктивной

теплопередачей через слой краски или покрытия на поверхности

радиатора, а также конвективной теплопередачей и излучением с

поверхности. Таким образом,

.=1/(1/(α

+α

)+δ

/λ

где а

, а

— коэффициенты теплопередачи конвекцией и излучением; λ

—

коэффициент теплопроводности покрытия; δ

— толщина

покрытия.

Коэффициент эффективности ребра

характеризует температурный перепад по

высоте ребра h(рис. 5.35):

= th(mh)/(mh),

где т = FUm λα /= Va U/KF — параметр,

характеризующий форму ребра (α =α

+ α

, U

— периметр сечения ребра, λ — коэффициент

теплопроводности материала ребра, F —

площадь поперечного сечения ребра).

Если на поверхности нет оребрения,

то коэффициент эффективности ребра

Конвективный коэффициент тепло-

передачи a

определяется по критери-

218

Рис. 5.35. Ребристый

радиатор

воздушного охлаждения

алышм уравнениям (5.4) и (5.5). При этом характерный размер конст-

рукции радиатора L=b/2 , где b — расстояние между ребрами.

Для пластинчатого радиатора с вертикально ориентированными ре-

брами критерий Нуссельта рассчитывается по формулам:

)]/113.01(/33.0)/113.01([4.1 DGrLDGrLDGrLNu +−++= при GrL/D<7

Nu = 0,64+ 0,023GrL/D при 7≤GrL/D<20;

Nu = 0,5(GrL/D) при GrL/D≥20,

где D — длина ребра радиатора (см. рис. 5.35).

Коэффициент теплопередачи излучением α

находят по форму-

лам (5.33), (5.34) и (5.36).

Расчет радиаторов заключается в определении параметров конст-

рукции при заданном перегреве поверхности (проектный расчет) или в

определении перегрева поверхности при известных геометрических

размерах радиатора (поверочный расчет). Задача решается методом по-

следовательных приближений.

5.5. Тепловые режимы конструкций РЭС

с естественным воздушным охлаждением

Естественное воздушное охлаждение конструкций РЭС является

наиболее простым, надежным и дешевым способом охлаждения и осу-

ществляется без дополнительной затраты энергии. В конструкциях с

естественным воздушным охлаждением отсутствует конструктивная

избыточность, поскольку функции элементов системы охлаждения вы-

полняют элементы, образующие структуру конструкции. Однако эф-

фективность естественного воздушного охлаждения относительно

низка (см. табл. 5.7). Поэтому данный вид охлаждения может приме-

няться в конструкциях РЭС, работающих в облегченном тепловом ре-

жиме.

Передача тепла от конструкции окружающей среде осуществляется

конвекцией и излучением. Вывод тепла на корпус конструкции от внут-

ренних источников происходит за счет всех трех видов теплопередачи.

Различают две разновидности конструкций РЭС, в которых приме-

няется естественное воздушное охлаждение: конструкции с герметич-

ным для тепловых процессов кожухом и конструкции с перфорирован-

ным кожухом. Применительно к последним естественное воздушное

охлаждение называют естественной воздушной вентиляцией.

219

Процессы теплообмена конструкций с окружающей средой в значи-

тельной степени определяются их структурой. Поэтому все существую-

щие конструкции РЭС можно разделить на классы, для каждого из ко-

торых характерна тепловая модель и набор показателей, необходимых

для оценки теплового режима. Одним из признаков классификации мо-

жет служить структура нагретой зоны конструкции (расположение в

конструкции источников тепла). На основе этого признака произведена

классификация рассмотренных ниже конструкций РЭС.

5.5.1. Тепловое моделирование и расчет теплового режима

конструкций РЭС с источниками тепла, распределенными в объеме

К данному классу конструкций РЭС относятся конструкции блоков

книжного, веерного и разъемного типов. Общим для них является то,

что нагретая зона представляет собой объем, занимаемый собранными

в блок функциональными ячейками (ФЯ). Самая «горячая» точка кон-

струкций — центр нагретой зоны.

Схематическое изображение конструкции приведено на рис. 5.36, а.

Блок функциональных ячеек (нагретая зона) 1 размещен в корпусе 2 и

закреплен на корпусе с помощью установочных элементов (бобышек,

втулок, кронштейнов, угольников и др.) 3.

Рис. 5.36. Тепловая модель конструкции блока с объемной нагретой

зоной:

а — схемотехническое изображение конструкции; б — тепловая схема

При построении тепловой модели принимаются следующие допу-

щения:

нагретая зона является однородным анизотропным телом;

источники тепла в нагретой зоне распределены равномерно;

поверхности нагретой зоны и корпуса — изотермические со средне-

поверхностными температурами t

, t

к вн

, t

кн

соответственно.

Тепло от центра нагретой зоны с температурой t

теплопроводностью

(эквивалентная тепловая проводимость σ

) выводится на поверхность

нагретой зоны.

220

С поверхности нагретой зоны посредством конвективной (σ

ЗК

) и

лучевой (σ

ЗЛ3

) теплопередачи через воздушные прослойки, теплопроводностью

контакта «нагретая зона — установочные элементы» (σ

тк

)и самих

установочных элементов (σ

З.Г

) тепло передается на внутреннюю поверхность

корпуса. За счет теплопроводности стенок (σ

)тепло выводится на

наружную поверхность корпуса,откуда конвекцией(α

) и излучением (α

)

переносится в окружающее пространство.

Тепловая схема, отражающая процесс теплообмена в конструкции, при-

ведена на рис. 5.36,6. Критериальной оценкой теплового режима конст-

рукций является температура в центре нагретой зоны t

З.О

. Как следует из

тепловой схемы рис. 5.36, б,

З.0

+P/σ













+++=

ТЗКТ

ЛЗКЗВНКЗ

Ptt

....

σσ

К.ВН.

= t

К.Н

+P/σ

C.K.

К.Н

+P/(σ

K.K

+σ

К.Л.

)

Здесь Р — тепловой поток, рассеиваемый конструкцией;

— тепловая проводимость нагретой зоны от центра к ее поверх-

ности:

YXZ

llλ

где λ

— эквивалентный коэффициент теплопроводности нагретой зо-

ны по направлению z; l

, l

— приведенные геометрические раз-

меры нагретой зоны по соответствующим направлениям осей коорди-

нат; С — коэффициент формы нагретой зоны, определяемый по графи-

кам рис. 5.16;

— конвективно-кондуктивная тепловая проводимость между

нагретой зоной и внутренней стенкой корпуса:

2/)(

.... ВНКЗ

СР

ВП

КЗ

где к

— поправочный коэффициент на конвективный теплообмен в

условиях ограниченного пространства; λ,

— коэффициент теплопро-

221

водности воздуха для среднего значения температуры воздуха в про-

слойке; l

СР

— среднее расстояние между нагретой зоной и кожухом;

— площадь поверхности нагретой зоны; S

вн

— площадь внутрен-

ней поверхности корпуса;

— тепловая проводимость теплопередачи от нагретой зоны к

внутренней стенке корпуса излучением:

где α

— коэффициент теплопередачи излучением; σ

— тепловая

проводимость контакта между нагретой зоной и установочными эле-

ментами;

— тепловая проводимость установочных элементов:

СРТЗ

σ =

где п — число элементов; λ — коэффициент теплопроводности мате-

риала; l— длина установочных элементов по направлению теплового

потока; S

— площадь средней изотермической поверхности, перпен-

дикулярной направлению теплового потока;

— тепловая проводимость стенок кожуха;

2/)(

.. HKBHK

SS +=

где λ

— коэффициент теплопроводности материала корпуса; δ

—

толщина стенки; S

вн

, S

— площади внутренней и наружной повер-

хностей корпуса;

кк

— тепловая проводимость от наружной поверхности корпуса к

среде для конвективной теплопередачи:

к.к

= α

к.н

где α

— коэффициент теплопередачи; σ

кл

=α

кн

— тепловая про-

водимость от наружной стенки корпуса к среде для теплопередачи из-

лучением; α

— коэффициент теплопередачи излучением.

Расчет показателей теплового режима блоков может быть выполнен

методом последовательных приближений или тепловой характеристи-

ки. В ориентировочных расчетах для определения тепловой проводи-

мости ст

от центра нагретой зоны к ее поверхности можно воспользо-

ваться [20] усредненными значениями эквивалентных коэффициентов

222