Обеспечение тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Евдулов, Денис Викторович

• Евдулов, Денис Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Евдулов, Денис Викторович

Введение.

1. Современное состояние в области обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры, перспективы использования для этих целей термоэлектрического метода преобразования энергии.

1.1. Методы и средства охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры.

1.2. Перспективы использования термоэлектрического охлаждения для обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры.

1.3. Особенности обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры, удаленных от источника холода.

1.4. Постановка задач исследования.

2. Теоретические исследования системы обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения.

2.1. Схемы теплового сопряжения термоэлектрического охлаждающего устройства на базе слоистой термоэлектрической батареи с элементами радиоэлектронной аппаратуры.

2.2. Расчет теплового поля и термомеханических напряжений слоистого термоэлемента.

2.3. Математическая модель системы обеспечения тепловых режимов элементов радиоэлекгронной аппаратуры на базе слоистых термоэлектрических батарей, в которой их сопряжение с тепловыделяющим элементом осуществляется за счет гибкого цельнометаллического теплопровода.

2.4. Математическая модель системы обеспечения тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры на базе слоистых термоэлектрических батарей, в которой их сопряжение с тепловыделяющим элементом осуществляется за счет теплового термосифона.

Выводы.

3. Экспериментальные исследования системы обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения.

3.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения эксперимента.

3.2. Результаты экспериментальных исследований.

3.2. Результаты экспериментальных исследований.

3.3. Оценка погрешности измерений.1.

Выводы.

4. Конструкции устройств для обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения.

4.1. Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с цельнометаллическими теплопроводами.

4.2. Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с тепловыми термосифонами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения»

Исследование и разработка специальных средств теплозащиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), создание новых типов систем охлаждения, отвечающих специфическим требованиям, оптимизация их энергетических и технико-экономических показателей является важной народнохозяйственной задачей.

Функционирование, надежность и управление ряда приборов и устройств существенно зависит от систем обеспечения тепловых режимов (СОТР) их работы. Как правило, работа таких приборов и устройств связана с необходимостью отвода значительных плотностей потоков теплоты (микроэлектроника, радиоэлектроника, лазерная техника, оптика и др.).

Существующие в настоящее время устройства и системы для отвода теплоты и термостатирования не всегда отвечают указанным требованиям и не для всех объектов могут быть использованы.

Актуальность рассматриваемой в работе проблемы непосредственно связана с необходимостью разработки и всестороннего исследования СОТР РЭА, выполненной на базе полупроводниковых термоэлектрических батарей (ТЭБ), применение которой в различных областях науки и техники позволит решить задачу температурной стабилизации и управления режимами приборов и устройств с высокими тепловыми нагрузками.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом уделяется большое внимание вопросу использования полупроводниковых термоэлектрических устройств (ТЭУ) в различных отраслях народного хозяйства. Важное место занимает исследование применимости ТЭУ в области обеспечения необходимых температурных режимов радиоэлектронных комплексов.

Это обусловлено рядом достоинств ТЭУ, к числу которых относятся:

- возможность получения искусственного холода при отсутствии движущихся частей и холодильного агента;

- универсальность, то есть возможность перевода термоэлектрического устройства из режима охлаждения в режим нагрева путем реверса постоянного тока;

- сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник холода или тепла и теплообменный аппарат;

- возможность работы при любой ориентации в пространстве и при отсутствии гравитационных сил;

- простота устройства, компактность и взаимозаменяемость, возможность применения практически в любой компоновочной схеме;

- высокая степень надежности;

- практически неограниченный срок службы;

- возможность форсировки по холодопроизводительности;

- простота и широкий диапазон регулирования холодопроизводительности.

За последние десятилетия проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований полупроводниковых ТЭУ. Накопленный опыт по эксплуатации, надежности, работоспособности в специфических условиях, моторесурсу и другим технико-экономическим показателям подтверждает возможность широкого применения охлаждающих ТЭУ для различных объектов.

Несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день все еще открыт вопрос о создании эффективных систем термоэлектрического охлаждения, позволяющих с максимальной эффективностью организовать отвод теплоты от радиоэлектронных приборов и элементов. Вместе с тем в практике эксплуатации РЭА часто возникает необходимость отделить источник холода от его потребителя. Данная ситуация возникает, например, когда элемент РЭА является составной частью аппаратуры с плотной упаковкой. В этом случае необходимо предусмотреть возможность сопряжения ТЭБ и элемента РЭА посредством специальных теплопроводов с минимальными потерями теплоты по их длине. При этом для эффективного охлаждения элементов РЭА с высоким уровнем тепловыделений необходимо использование ТЭБ с высоким значением плотности теплового потока. В этих условиях целесообразным будет использование сильноточных ТЭБ, в которых при небольшом количестве термоэлементов (ТЭ) за счет большого значения электрического тока может быть развита значительная холодопроизводительность. Важным является разработка такой конструкции сильноточной ТЭБ, в которой были бы практически исключены термомеханические напряжения, являющиеся следствием теплового расширения материала и биметаллического эффекта.

В соответствии с вышеизложенным целью диссертационной работы является разработка и всестороннее исследование СОТР элементов РЭА, являющихся составной частью аппаратуры с плотной компоновкой и расположенных в труднодоступных областях, с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения, выполненной на базе сильноточных ТЭБ, в которых за счет специального конструктивного исполнения сведены до минимума термомеханические напряжения.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка СОТР элементов РЭА с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения, выполненной на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции.

2. Разработка математической модели системы охлаждения элементов РЭА с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения, выполненной на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции, с учетом возникающих в них термомеханических напряжений.

3. Исследование конструкции СОТР элементов РЭА на базе слоистых ТЭБ, в которой сопряжение последних с тепловыделяющим элементом осуществляется за счет гибкого цельнометаллического теплопровода.

4. Исследование конструкции СОТР элементов РЭА на базе слоистых ТЭБ, в которой сопряжение последних с тепловыделяющим элементом осуществляется за счет теплового сифона.

5. Проведение комплекса экспериментальных исследований.

6. На основе проведенных исследований разработка новых типов устройств для теплоотвода от элементов РЭА, являющихся составной частью аппаратуры с плотной упаковкой.

7. Практическая реализация результатов работы.

В диссертационной работе рассматриваются конструктивные решения системы охлаждения, позволяющие осуществить процесс охлаждения и элементов РЭА, являющихся составляющей частью радиоаппаратуры с плотной упаковкой или находящихся в труднодоступных местах. В СОТР РЭА используются ТЭБ слоистой конструкции, рассчитанные на значительны величины тока питания. При этом их сопряжение с радиоэлементами осуществляется за счет использования теплопроводов, выполненных либо цельнометаллическими, либо в виде тепловых сифонов. Разработаны математические модели функционирования СОТР с цельнометаллическими теплопроводами и теплопроводами, выполненными в виде тепловых сифонов. При моделировании работы сильноточной слоистой ТЭБ рассмотрены вопросы, связанные , с расчетом ее термомеханических характеристик.

Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для СОТР с цельнометаллическими теплопроводами на специально созданном стенде в соответствии с разработанными методиками проведения испытаний.

Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности СОТР, а также проводить целенаправленный и обоснованный ее выбор для различных объектов.

Практическая значимость выполненных исследований состоит в разработанных теоретических основах СОТР элементов РЭА на базе полученных в работе уравнений, учитывающих характеристики охлаждаемых объектов, слоистых ТЭБ, а также параметры среды. Определена методика для всестороннего анализа работы СОТР, а также влияния характеристик охлаждаемого объекта и других факторов на их энергетические и технико-экономические показатели. Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности представленной к рассмотрению СОТР, проводить целенаправленный и обоснованный ее выбор для организации заданного температурного режима различных радиоэлектронных объектов. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать практические рекомендации по использованию теплоотводящих систем при различных условиях эксплуатации с учетом тепловых нагрузок, массогабаритных характеристик и других показателей для объектов РЭА.

Полученные результаты исследований нашли практическое применение в различных организациях и предприятиях. Отдельные разработки при непосредственном участии автора испытаны, внедрены и переданы организациям электронной промышленности, средств автоматики и систем управления. Реализация результатов работы на объектах улучшило тактико-технические данные, эффективность, точность и качество устройств и систем, в которых они применялись. Внедрение разработанных устройств и систем на предприятиях позволило достичь существенного экономического эффекта.

Проводимые исследования являлись составной часть госбюджетной научно-исследовательской темы «Исследование термомеханических напряжений в сильноточных ТЭБ» в рамках тематического плана Дагестанского государственного технического университета по заданию Федерального агентства по образованию.

Диссертация подводит итог комплексу исследований, выполненных автором за последние три года в Дагестанском государственном техническом университете.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Евдулов, Денис Викторович

Выводы

По результатам проведенных экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Для проведения исследований СОТР, выполненной на базе сильноточной слоистой ТЭБ, сопрягаемой с тепловыделяющим элементом посредством цельнометаллических теплопроводов, собран экспериментальный стенд, включающий в себя опытный образец системы, источник постоянного электрического тока и комплекс для измерения температуры в контрольных точках.

2. Были проведены измерения температуры в различные моменты времени в контрольных точках опытного образца СОТР при фиксированных значениях токов питания ТЭБ. Контрольные точки располагались по длине теплопровода, на холодной коммутационной пластине, жидкостном теплооб-менном аппарате. Исследовалось изменение температуры по длине теплопроводов, выполненных из меди и алюминия. ч

3. Максимальное снижение температуры получено при увеличении тока питания ТЭБ до 50 А. При этом температура коммутационной пластины снижалась до 258,5 К, контрольной точки в конце теплопровода - 264 К. Соответственно при последовательном уменьшении питающего ТЭБ электрического тока до 40, 30, 20 и 10 А температура коммутационной пластины снижалась до 261,5, 267,5, 273 и 280 К, а на конце теплопровода - до 268,5, 273, 279, 285,5 К.

4. Согласно полученным данным перепад температур между холодным спаем ТЭБ и концом теплопровода длиною 42,5 см, выполненным из меди, составляет порядка 6 К. При этом данная величина перепада температур имеет примерно то же значение в диапазоне токов питания ТЭБ от 10 до 50 А. Для алюминиевого теплопровода той же длины и токе питания ТЭБ перепад температур между холодной коммутационной пластиной и концом теплопровода составляет 9,3 К.

5. Результаты эксперимента говорят об эффективности использования медных теплопроводов в тех случаях, когда предъявляются особые требования к температурным потерям по их длине и отсутствуют ограничений по массе и стоимости устройства охлаждения. В противном случае, особенно когда длина теплопровода незначительна, более эффективным будет применение алюминиевых теплопроводов, менее дорогих, чем медные и имеющих также меньшую массу.

6. Согласно результатам эксперимента для опытного образца СОТР продолжительность выхода на стационарный режим работы составляет 20-25 мин. для различных точек системы. При этом продолжительность выхода на стационарный режим для контрольной точки, расположенной в конце теплопровода несколько выше, чем для холодной коммутационной пластины, и составляет около 25 мин., тогда как для последнего случая эта величина не превышает 20 мин.

7. В соответствии с опытными данными для отвода теплоты от горячей коммутационной пластины не требуется принятия специальных мер, для этого достаточно применение жидкостного теплосъема с комнатной температурой жидкости и незначительным массовым расходом.

8. При работе ТЭБ в режиме нагрева при увеличении величины тока питания ТЭ температура коммутационных пластин значительно возрастает. При изменении тока питания с 20 до 50 А температура горячей коммутационной пластины увеличивается с 334 до 350, К, при этом температура на конце медного теплопровода изменяется с 329 до 344 К. Разность температур между горячей коммутационной пластиной концом теплопровода составляет примерно ту же величину, что и для случая работы ТЭБ в режиме охлаждения. Данное значение перепада температур в диапазоне токов от 10 до 50 А составляет 5-7 К.

9. Среднее отклонение экспериментальных данных от расчетных составило не более 9 % на всем диапазоне измерений.

4. КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ХОЛОДА И ОБЪЕКТА ОХЛАЖДЕНИЯ

4.1. Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с цельнометаллическими теплопроводами

Современные устройства РЭА характеризуются высокими локальными рассеяниями тепла, что вызывает дестабилизацию их работы и снижает надежность. Применение СОТР на основе воздушного, водяного охлаждения или тепловых труб часто невозможно из-за эксплуатационных и массогаба-ритных ограничений. Поэтому решение задачи температурной стабилизации РЭА может быть получено применением в качестве СОТР охлаждающих полупроводниковых ТЭУ, оптимально сочетающихся с РЭА по важнейшим энергетическим и массогабаритным показателям. При этом часто тепловыделяющий элемент РЭА является только составной частью аппаратуры, имеющей плотную упаковку. Поэтому осуществить его непосредственный контакт с СОТР достаточно затруднительно. В данных условиях целесообразным является размещение источника холода вне аппаратуры, а его сопряжение с элементом РЭА посредством специальных теплопроводов.

В связи с этим разработано устройство на базе полупроводниковых сильноточных ТЭБ специальной конструкции, в котором сопряжение элемента РЭА и термоэлектрического источника холода осуществлялось посредством теплопроводов, выполненных их высокотеплопроводного материала (например, меди или алюминия) [64].

Достоинством данной конструкции СОТР является возможность механической развязки объекта охлаждения, ТЭБ и системы теплосброса, а также простота сопряжения с охлаждаемым (нагреваемым) объектом, размещенным в труднодоступных удаленных друг от друга местах, в том числе являющимися составной частью блока с плотной упаковкой элементов, или размещаемыми в герметичном объеме.

Конструкция устройства приведена на рис.4.1, а внешний вид на рис.4.2.

ТЭБ содержит последовательно соединенные в электрическую цепь полупроводниковые ТЭ, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и п-типа 1 и 2. Ветви 1 и 2 ТЭ расположены вдоль линии, а коммутационные элементы 3 и 4 выполнены в виде гибких электроизолированных друг от друга теплопроводов - медных шин 5 с контактными площадками 6 и 7 на концах, изготовленными из электропроводного материала. Контактные площадки 6 соединены с двух сторон с ветвями полупроводника р- и п-типа 1 и 2, а контактные площадки 7 - с электроизолированными друг от друга контактными площадками 8, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины - теплопереходы 9 или в виде медных пластин, напаянных на электроизолированные пленочные контакты керамической пластины, причем все четные коммутационные пластины 4 соединены с одним, а нечетные 3 — другим теплопереходом. Контакты 10 служат для подвода электрической энергии к ТЭБ.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контакты 10, между коммутационными элементами 3 и 4, представляющими собой контакты ветвей р- и п-типа 1 и 2, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье в местах соединения ветвь р-типа 1 - контактная площадка 6 - ветвь п-типа 2 и ветвь п-типа 2 — контактная площадка 6 - ветвь р-тнпа 1. При указанной на рис.4.1 полярности электрического тока происходит нагрев коммутационных элементов 3 и охлаждение коммутационных элементов 4. Соответственно имеет место охлаждение верхнего теп-лоперехода 9, контактирующего через электроизолированные площадки с коммутационными элементами 3. Если при этом за счет теплоотвода температура нижнего теплоперехода 9, контактирующего через площадки 8 с коммутационными элементами 3, поддерживается на постоянном уровне, то температура верхнего теплоперехода, находящегося в тепловом контакте с коммутационными элементами 4 через контактные площадки 8, понизится до некоторого определенного значения. При заданном электрическом токе величина снижения температуры на верхнем теплопереходе 9 будет зависеть от тепловой нагрузки на нем. Тепловая нагрузка складывается из теплопри-тока от окружающей среды, тепла от горячих контактов, обусловленного теплопроводностью образующих ТЭБ ветвей, теплоты Джоуля, а также тепла, поступающего от объекта охлаждения.

Предложенное исполнение ТЭБ позволит осуществлять механически гибкое сочленение охлаждаемого объекта (источника теплоты) и системы те-плосброса, а также контакт с охлаждаемым (нагреваемым) объектом, находящимся в труднодоступном месте за счет специальной конструкции коммутационных элементов (протяженности и гибкости), при этом потери тепла на коммутационных элементах будут незначительны.

К другим достоинствам СОТР в данном исполнении следует отнести следующее.

1. В указанных конструкциях в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячего теплоперехода на холодный теплопереход по межтермо-элементным пространствам за счет их более плотной упаковки.

2. Исключаются механических напряжений, вызванных тепловым расширением материалов и биметаллическим эффектом и, следовательно, повышается надежность ТЭБ.

3. Коммутирующие пластины вследствие специфики исполнения электрических контактов ТЭБ могут иметь намного меньшую толщину, чем в существующих, следствием чего является уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкостей, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода термобатареи на рабочий режим.

4. В ТЭБ могут быть использованы ветви различной длины, что дает возможность более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей р- и п- типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности термоэлектрической батареи.

5. Уменьшается толщина теплопереходов - слой диэлектрического материала имеет незначительную толщину

6. Улучшаются условия теплосъема с тепловыделяющих контактов ТЭБ, являющиеся следствием малого термического сопротивления коммутационных пластин.

Модификацией данного конструктивного варианта устройства для охлаждения элементов РЭА является прибор [25], схематическое изображение которого приведено на рис.4.3. Здесь цифрой 11 изображена теплоизоляция. В нем ветви 1 и 2 выполнены наклонными в одной из координатных плоскостей. Причем ветви 1 расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей 2, а угол наклона между ветвями 3 лежит в пределах — < Э < п .

18

При этом коммутационные пластины 3 и 4 на одних концах имеют скосы под тем же углом и впаяны в пространство, ограниченное концами ветвей р-и п-типов 1 и 2. Поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ покрыта слоем диэлектрического теплоизоляционного материала 11.

Достоинством данной конструкции является увеличение теплоотдачи коммутационных пластин ТЭБ к объекту охлаждения (элементу РЭА).

Охлаждение шпшпи

UHtlUUHiUl

Нагрев

Рис.4.1. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, выполненного на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции, с цельнометаллическими теплопроводами

Рис,4.2. Внешний вид устройства для охлаждения элементов РЭА, выполненного на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции, с цельнометаллическими теплопроводами

Рис.4.3. Модификация устройства для охлаждения элементов РЭА, выполненного на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции, с цельнометаллическими теплопроводами

4.2. Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с тепловыми термосифонами

Для повышения эффективности передачи теплоты от источника холода, выполненного в виде слоистой ТЭБ, к элементу РЭА в качестве теплопровода, как это было показано в параграфе 2.4 эффективно использование тепловых сифонов. Основным достоинством теплового термосифона является возможность использования его- для передачи на относительно большое расстояние (до 2-3 м), практически без потерь, тепловой энергии с большими значениями теплового потока. Так например, при* использовании теплового термосифона, рассчитанного в процессе выполнения настоящей работы, плотность теплового потока была немногим менее 1,4-104 Вт/м2, при этом те-плопотери при длине теплопровода не превышали 900 Вт/м" при его длине 42,5 см. Столь исключительные особенности тепловых сифонов открывают широкие возможности использования их в термоэлектрическом приборостроении для интенсификации процессов теплообмена и соответственно улучшения энергетических характеристик СОТР элементов РЭА. Кроме того, использование тепловых сифонов позволяет создавать более рациональные и технологические конструкции электронных охлаждающих приборов в целом.

Работа совместно ТЭБ связана с рядом специфических особенностей, основными из которых являются: работа в области как положительных, так и отрицательных температур; необходимость создания герметичной системы, обеспечивающей длительный срок службы;-выбор оптимального для рабочего интервала температур теплоносителя; влияние концентрации неконденсирующихся газов, находящихся в системе теплового термосифона, на перепад температур в области 0-100 °С и некоторые другие.

В соответствие с указанными требованиями разработана конструкция СОТР на базе сильноточной слоистой ТЭБ, в которой сопряжение ее с элементом РЭА осуществлено посредством тепловых сифонов, изображенная на рис.4.4. СОТР включает в себя ТЭБ, теплопроводы, выполненные в виде тепловых сифонов и систему съема теплоты с горячих коммутационных пластин ТЭ.

ТЭБ также содержит последовательно соединенные в электрическую цепь полупроводниковые ТЭ, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и п-типа 1 и 2. Ветви

I и 2 ТЭ расположены вдоль линии, а коммутационные элементы 3 и 4 выполнены в виде полых электроизолированных снаружи гибких трубок 5, заправленных теплоносителем 6, на концах которых вакуумно герметично установлены контактные площадки 7, 8, при необходимости снабжаемые со стороны, находящейся в трубке 5, оребрениями 12. При этом контактные площадки 7 на одном конце коммутационных элементов с двух сторон соединены с ветвями полупроводника р- и п-типа 1 и 2, а контактные площадки 8 на другом конце коммутационных элементов - с электроизолированными друг от друга площадками 9, выполненными в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины - теплопереходы 10 или в виде медных пластин, напаянных на электроизолированные пленочные контакты керамических пластин, причем все четные коммутационные элементы 4 соединены с одним, нечетные 3-е другим теплопереходом 10. Контакты

II служат для подвода электрической энергии к ТЭБ.

СОТР работает следующим образом.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контакты 11, между соседними контактными площадками 7, представляющими собой контакты ветвей р- и п-типа 1 и 2, возникает разность температур, обусловленная выделением и поглощением теплоты Пельтье. При указанной на рис.4.4 полярности имеет место нагрев нечетных контактных площадок 7 и охлаждение четных.

При повышении температуры нечетных (горячих) контактных площадках 7 с поверхности оребрения 12 происходит интенсивный отвод теплоты за счет испарения или кипения теплоносителя 6. Образующийся пар поднимается в верхнюю часть трубок 5, где через оребрение 12, контактные площадки 8, площадки 9, верхний теплопереход 10 обменивается теплом с окружающей средой, либо с теплообменником (на рис4.4 не показан). Вследствие подобного теплообмена пар конденсируется на поверхности оребрения 12, образовавшийся конденсат стекает вниз и поступает в нагреваемый участок (область трубок 5, находящаяся в непосредственной близости с контактными площадками 7). Отвод теплоты от «горячих» контактных площадок 7, таким образом, осуществляется за счет испарения или кипения теплоносителя 6.

При тепловом контакте нижнего теплоперехода 10 с объектом охлаждения (на рис4.4 не показан) происходит его нагрев, а также нагрев площадок 9 и контактных площадок 8. При повышении температуры контактных площадок 8 и соответственно оребрения 12 за счет теплоотвода от объекта охлаждения происходит испарение или кипение теплоносителя 6 на поверхности контактных площадок 8 или оребрения 12. Образовавшийся пар перемещается в верхнюю часть трубок 5. В верхней части трубок 5 происходит конденсация теплоносителя 6 вследствие теплообмена с оребрением 12 четных («холодных») контактных площадок 7. Далее происходит стекание теплоносителя 6 вниз - в нагреваемую зону (область трубки 5, находящаяся в непосредственной близости от объекта охлаждения). Интенсивный отвод теплоты от объекта охлаждения в данном случае обеспечивается за счет высокого коэффициента теплоотдачи при испарении и конденсации теплоносителя 6.

На рис.4.5 как и в случае цельнометаллического теплопровода изображена модификация СОТР, в которой ветви ТЭ расположены под углом друг к другу, а коммутационные пластины впаяны в пространство, ограниченное концами ветвей р- и п-типов 1 и 2. Коммутационные -пластины 2 и 3 выполнены в форме трехгранной призмы с одним двугранным углом равным 3 и впаиваются в пространство, ограниченное концами ветвей р- 3 и п-типов 4. Причем оставшаяся третья грань коммутационных пластин свободной поверхностью приведена в тепловой контакт с полыми электроизолированными снаружи гибкими трубками 12 и 13, при необходимости имеющими внутреннее оребрение и заправленными теплоносителем. Своими свободными концами гибкие трубки сопрягаются с охлаждаемым и нагреваемым объектами.

Система теплосброса f t t f t t t f t t t t t t t t t t tttttttttttt

Элемент РЭА

Рис.4.4. Конструкция устройства для охлаждения элементов РЭА, выполненного на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции, с тепловыми сифонами

Рис.4.5. Модификация устройства для охлаждения элементов РЭА, выполненного на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции, с тепловыми сифонами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решена важная научно-прикладная проблема, связанная с обеспечением тепловых режимов функционирования элементов РЭА, являющихся составной частью аппаратуры с плотной упаковкой и находящихся в труднодоступных местах.

Разработан новый тип СОТР радиоэлектронных приборов на базе сильноточных слоистых ТЭБ. Для организации эффективного теплоотвода от элементов РЭА, являющихся составной частью аппаратуры с плотной упаковкой и удаленных от источника холода, использованы специальные теплопроводы, выполненные цельнометаллическими или в виде тепловых сифонов.

Созданы математические модели, описывающие работу СОТР. При построении математической модели СОТР, выполненной на базе сильноточных слоистых ТЭБ, рассмотрена задача, связанная с определением теплового поля слоистого ТЭ, а также в теплопроводах. При этом для учета большего количества факторов, влияющих на работу ТЭУ, исследовано двумерное нестационарное тепловое поле ТЭ, а также поле распределения температур в цельнометаллическом теплопроводе. Для исследования работы ТЭУ при использовании в качества теплопровода теплового термосифона необходимо решена задачу тепломассопереноса при испарении и конденсации теплоносителя, а также при его движении в транспортной зоне теплового термосифона. Для анализа термомеханических характеристик слоистого ТЭ произведен расчет величины механических напряжений и деформаций, возникающих в нем, произведено сравнение расчетных данных для случая классического П-образного ТЭ.

Экспериментальные исследования СОТР с цельнометаллическими теплопроводами подтвердили правомочность разработанных математических моделей. Отклонения между расчетными данными и результатами экспериментов не превышали 9 % на всем диапазоне измерений.

На основе проведенных исследований разработаны ТЭУ для обеспечения тепловых режимов работы РЭА и ее элементов, которые могут найти применение в радиоэлектронике, микроэлектронике, а также других отраслях народного хозяйства.

Ряд методик и рекомендаций по использованию охлаждающих устройств внедрены в производство и нашли практическое применение в учебном процессе.

Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании термоэлектрических устройств для отвода тепла и термостабилизации РЭА. Необходимость продолжения работ в этом направлении подтверждается включением их в государственную научно-техническую программу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Евдулов, Денис Викторович, 2009 год

1. Патент 1812648 РФ Способ охлаждения функциональных элементов радиоэлектронной аппаратуры, расположенных на плате / Автухов В.В., Голонов С.Н., Игнатьев Г.Ф., Семенов А.В., Тихонов В.П. // Б.И. № 16,1993.

2. Патент США №5343360. Устройство для содержания и охлаждения ИС // МКИ5 Н 05 К 7/20, 1994.

3. Патент США №5332031. Система охлаждения для твердотельных устройств формирователей сигналов изображения // МКИ5 Н 01 L 23/427,1994.

4. Патент США №5321582. Теплоотвод для электронных компонентов, устанавливаемый с использованием пружинных элементов // МКИ5 Н 05 К 7/20, 1994.

5. Патент США №5343362. Теплоотвод // МКИ5 Н 05 К 7/20, 1994.

6. Патент США №5343359. Устройство для охлаждения дочерних печатных плат // МКИ5 Н 05 К 7/20, 1994.

7. Патент США №5319520. Система воздушного охлаждения РЭА, расположенной в несколько ярусов // МКИ5 Н 05 К 7/20, 1994.

8. Патент РФ 2042294 Радиоэлектронное устройство / Кабов О.А., Капте-линин И.А., Журавлев А.В. // Б.И. №23, 1995.

9. Патент РФ №2043704. Система охлаждения тепловыделяющих блоков / Тахавеев А.И., 1995.

10. Патент РФ №2047952. Охладитель для силового полупроводникового прибора / Антюхин В.М., Лаужа Г.В., Узарс В.Я., Феоктистов В.П., Чау-сов О.Г., 1995.

11. Патент РФ №2110902. Способ охлаждения электрорадиоэлементов / Левкин С.А., Мартынов А.С., 1998.

12. Патент РФ №2133561. Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов / Миронов А.В., Вапничный В.И., 1999.

13. Патент DE №2152697. Устройство для отвода тепла и способ его изготовления / Тибертиус Бернд, Каль Хельмут, 2000.

14. Патент РФ №2156012. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов / Каликанов В.М., Фомин Ю.А., Бартанов А.Б., Пузаков В.И., 2000.

15. Патент РФ №2189666. Многоканальное охлаждаемое фотоприемное устройство / Ларцев И.Ю., Артамонов В.В., 2002.

16. Патент РФ №2193258. Устройство охлаждения полупроводниковых пластин /Абрамов Г.В., Битюков В.К., Коваленко В.Б., Попов Г.В., 2002.

17. Патент РФ №2201014. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов / Каликанов В.М., Фомин Ю.А., Пузаков В.И., 2003. ,

18. Патент РФ №2229757. Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры / Таланин Ю.В., 2004.

19. Патент РФ № 2236098 Устройство для термостабилизации элементов РЭА с высоким уровнем тепловыделений / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. // Б.И. № 25, 2004.

20. Патент РФ №2269184. Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Вердиев М.Г., Евдулов О.В., Меркухин Н.Е. // Б.И. №3, 2006.

21. Патент РФ №2269183. Термоэлектрическая батарея / Исмаилов Т.А., Вердиев М.Г., Евдулов О.В., Меркухин Н.Е. // Б.И. №3, 2006.

22. Патент РФ №2270495. Способ обеспечения функционирования термоэлектрической батареи / Исмаилов Т.А., Вердиев М.Г., Евдулов О.В. // Б.И. №5, 2006.

23. Патент РФ №2273970. Охладитель силовых электронных модулей / Са-ленко С.Д., Кураев А.А., Зорин В.Б., Колоколкин Ю.Г., Коссов B.C., Киржнер Д.Л., 2006.

24. Патент РФ №2301510. Система охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры / Глушко В.М., Шубенцев А.В., Цыганюк С.В., 2007.

25. Патент РФ №2335036. Термоэлектрическая батарея // Исмаилов Т.А., Вердиев М.Г., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., 2008.

26. Патент РФ №2335103. Устройство для отвода теплоты от элементов радиоэлектронной аппаратуры // Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Махмудова М.М., Исмаилов Р.Т., Евдулов Д.В., 2008.

27. Аксенов А.И., Глушкова Д.Н., Иванов В.И. Отвод тепла в полупроводниковых приборах. М.: Энергия, 1971.

28. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Митрошкина М.В. Математическое моделирование тепловых режимов аппаратуры на ранних этапах ее разработки. М.: Информатика - Машиностроение, изд. «Вираж - Центр», 1998.

29. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов А.В. Прогнозирование теплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Сетевой Электронный научный журнал «СИСТЕМОТЕХНИКА». 2004. №2.

30. Анатычук А.И., Семенюк В.А. Оптимальное управление свойствами термоэлектрических материалов и приборов, Черновцы: Прут, 1992.

31. Анатычук JI. И., Булат JI. П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. Санкт-Петербург: Наука, 2001.

32. Анатычук Л.И. Термоэлектричество. Т. 2. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Институт термоэлектричества, 2003.

33. Анатычук Л.И. Элементная база термоэлектричества // Доклады IX Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2004.

34. Барыбин А.А., Сидоров В.Г. Физико-технологические основы электроники Санкт-Петербург: Издательство «Лань»,2001.

35. Берденников А. А., Котляров В. В., Шраер А. И. Регулирование теплообмена в системах охлаждения вспомогательного оборудования и радиоэлектронной аппаратуры // Системы управления и обработки информации: Науч.-техн. сб. ФГУПНПО АВРОРА. СПб, 2003. Вып. 6.

36. Брусницын П.С., Кораблев В.А. Шарков А.В. Применение термоэлектрических элементов в системах охлаждения // Изв. Вузов. Приборостроение, 2000.

37. Булат Л.П. Термоэлектрическое охлаждение: состояние и перспективы // Холодильная техника. 1999., №5.

38. Булат Л.П., Ведерников М.В., Вялов и др. Термоэлектрическое охлаждение / Под ред. Булата Л.П. СПб. СПбГУНи ПТ, 2002.

39. Булат Л.П., Ерофеева И.А., Возисов А.В. К расчету эффективности термоэлектрических преобразователей энергии // Доклады X Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2006.

40. Вайнер А.Л. Расчет термоэлектрического охладителя с максимальной холодопроизводительностью // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры, 1994., №1-2.

41. Вайнер А.Л., Коломоец Н.В. Проектирование и испытание каскадных термобатарей // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры, 1994, №1-2.

42. Гершберг И.А., Тахистов Ф.Ю. Определение условий эффективного применения термоэлектрических модулей для охлаждения тепловыделяющих объектов. Доклады X Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2006.

43. Голощапов В.Н., Курская Н.М., Мацевитый Ю.М., Цаканян О.С. Интенсификация теплообмена в платах микросборок РЭА // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры, 1993, №2.

44. Драбкин И.А. Использование термоэлектрического охлаждения для электронных чипов // Доклады IX Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2004.

45. Драбкин И.А., Ершова Л.Б. Сравнение различных подходов к оптимизации однокаскадных термоэлектрических модулей // Доклады X Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2006.

46. Дробкин И.А. Переходные процессы в охлаждающих термоэлектрических модулях и устройствах. // Доклады VIII межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», 2002.

47. Дударев Ю.И. О влиянии коммутации на характеристики термоэлементов // Доклады IX Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2004.

48. Дульнев Г.И. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984.

49. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990.

50. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1990.

51. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. JL: Энергия, 1971.

52. Евдулов О.В. Охлаждение и термостабилизация электронной аппаратуры на основе термоэлектрических модулей // Известия вузов. Приборостроение, 2000, т. 43, №5.

53. Исакеев А.И., Киселев И.Г., Филатов В.В. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. JL: Энергоиздат, 1982.

54. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. СПб.: Политехника, 2005.

55. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А., Аминов Г.И., Термостаби-лизирующие устройства для радиоэлектронной аппаратуры // Вестник Международной академии холода, № 3, 2002.

56. Исмаилов Т.А., Магомедов К.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М. Повышение эффективности термоэлектрических интенсификаторов охлаждения радиоэлектронной аппаратуры // Известия Вузов. Приборостроение, 1997, №9.

57. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В. Расчет теплового поля и поля термомеханических напряжений сильноточного термоэлемента слоистой конструкции // Вестник Международной академии холода. 2008. -№4. - С.12-15.

58. Кальнин И.М., Фадеков К.Н. Оценка эффективности термодинамики циклов парокомпрессионных холодильных машин и тепловых насосов // Холодильная техника, №3, 2006.

59. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. М.: Энергия, 1971.

60. Л.И.Анатычук. О физических моделях термоэлементов // Термоэлектричество, №1, 2003.

61. Лукишкер Э.М., Вайнер А.Л., Сомкин М.Н., Володагин В.Юг Термоэлектрические охладители. М.: Радио и связь, 1986.

62. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

63. Марков О.И., Мыдников О.А. Численное моделирование термоэлемента // Доклады VIII межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», 2002.

64. Мотовиловец И.А., Киричек И.Ф., Новикова A.M., Володагин В.Ю., Ги-далевич Л.Б. Расчет термомеханического напряжения в трубчатых термоэлектрических охлаждающих устройствах // Вопросы радиоэлектроники. Серия ТРТО, 1984.

65. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1991.

66. Павлов Б.Н., Петров Е.Е. Численная реализация фронтовой модели промерзания водонасыщенных сред с учетом зависимости температуры фазового перехода от давления и концентрации // Инженерно-физический журнал. 1999. т. 72, №1.

67. Парахин А.С., Налетов B.JI. Расчет и исследование термоэлектрических охладителей. Курган: КГУ, 2001.

68. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Д.: Энергия, 1976.

69. Пилипенко Н. В., Гладских Д. А. Решение прямых и обратных задач теплопроводности на основе дифференциально — разностных моделей // Изв. вузов. Приборостроение, т. 50, № 3, 2007.

70. Поздняков Б.С., Коктейлев Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.

71. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика / От тепловых двигателей до диссипативных структур. // Пер с англ. Данилова Ю.А. и Белого В.В. М.: Мир. 2002.

72. Роткоп Л.Д., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1976.

73. Семенюк В.А. Термоэлектрическое охлаждение: проблемы и перспективы // Вестник МАХ, 1999.

74. Соколов А.К. Температурное поле двухслойного цилиндра с объемными источниками теплоты и подвижными границами //Инженерно-физический журнал. 1999. том 72, №1.

75. Сушко В. Ю., Кораблев В. А., Шарков А. В. Метод выбора параметров многослойной защиты электронного устройства от мощного теплового воздействия //Изв. вузов. Приборостроение. 2006. т. 49, № 3.

76. Тахистов Ф. Ю. Методика расчета термоэлектрического термостата с неизотермической камерой // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. т. 50, № 1.

77. Тереков А. Я. Исследование термических напряжений в защитном чехле термобатареи // Доклады IX Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение», Санкт-Петербург, 2004.

78. Туник А.Т. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры жидкими диэлектриками. М.: Сов. радио, 1973.

79. Тюков Н.И., Акимов И.А., Акимов А.И. Методология проектирования и автоматизации теплофизических процессов // Уфа: Редакционно-издательский центр Башгосуниверситета, 2001.

80. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Глобальные проблемы холодильной техники // Вестник международной академии холода. 2007, №1.

81. Шарков А.В., Тахистов Ф.Ю., Кораблев В.А. Прикладная физика. Термоэлектрические модули и устройства на их основе. Учебное пособие // Под ред. проф. А. В. Шаркова. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2003.

82. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

83. Ярышев Н. А. Регуляризация температурных полей в экстремальных условиях теплообмена // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 12.

84. Blank Irene. Cooling devices including fans, blowers, heat sinks and air conditioners // Electron. Compon. News, 1994, №8.

85. Chen Y.-M., Wu S.-C., Chu C.-I. Thermol Performance of sintereb miniature heart pipers // heat and Mass Transfer. 2001.

86. Edry I., Dashevsky Z., Drabkin I., Darel M.P. Calculation of Temperature Profile and Power Performance of Thermoelectric Energy Materials. Proceedings of 2nd European Conference on Thermoelectrics. Poland, Krakow, 2000.

87. Enclosure cooling units // Electron. Compon. News, 1995, №8.

88. Grommol B. Micro cooling sistems for high density packaging // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2000. Vol.23, №1.

89. Olachea Gil. Managing heat: A focus on power 1С packaging // Electron. Packag. and Prod, 1994, №11.

90. Poulton Ken, Knudsen Knud L, Corcoran John J., Wang Keh-Chung, Pierson Richard L., Nubling Randall В., Chang Man-Chung. Thermal design and simulation of bipolar integrated circuits // IEEE J. Solid State Circuits, 1992, №10.

91. Rujano J.R., Cardenas R., Rahmad M.M., Moreno W.A. Development of a termal management solution for a ruggedized Pentium based notebook computer // InterSociety Conference on Termal Phenomena. 1998.

92. Snarskii A.A., Bulat L.P. Anisotropic Thermoelements. Thermoelectric Handbook, Macro to Nano. Ed. by D.M.Rowe, CRC, 2006.

93. Sridhar S., Bhadath Shrikar, Joshi Y. Reviewing today is cooling techniques: The established methods of heat removal are most effective when coupied with the use analysis tools // Electron. Packag. and Prod., 1994, №5.

94. Surface mount heat sink // Electron. Packad. and Prod., 1994, №12.

95. Tardiff David W., Dore-North Lyne. Thermal modeling speeds up design // Electron. Packag. and Prod., 1994, №9.

96. Toth J., DeHoff R. and Grubb K. Heat pipes: The silent way to manage desktop thermal problems // InterSociety Conference on Termal Phenomena. 1998.

97. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дагестанский государственный технический университет»

98. СОГЛАСОВАНО Проректор по научной работе (щ/^ О-В. Евдулов « -)U>-> j 2200 $ г.

99. УДВЕ^ЖДАЮ Жорекгор-начадвщж УМУ1. Й^я-,; '"с,"".''1. ЮА.Гасанов ,200$ г.внедрения результатов НИР в учебный процесс

100. Совета радиотехнического факультета (протокол № 3 от 13.11.2008 г. заседания кафедры ТиОЭ и протокол № 3 от 21.11.2008г. заседания Совета радиотехнического факультета").

101. Термоэлектрическая система' охлаждения элементов РЭА включена также в качестве наглядного пособия для проведения практических и лабораторных занятий по дисциплине «Конструирование и технология производства». '

102. Зам. заведующего кафедрой ТиОЭ,к.ф.-м.н., доцент Гаджиева С.М.1. Декан РТФ, к.т.н., доцент1. Юсуфов Ш.А.

103. УТВЕРЖДАЮ» Проректор- iiQ. научной работе1. УТВЕРЖДЛЮ»