Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задач исследования 10
1.1. Способы охлаждения радиоэлектронных систем 10
1.2. Применение термоэлектрических охладителей для обеспечения тепловых режимов радиоэлектронных систем 21
1.3. Термоэлектрические устройства для охлаждения и термостатирования радиоэлектронных систем 25
1.4. Постановка задач исследования 56
2. Математические модели систем обеспечения теплового режима в блоках радиоэлектронных систем с использованием термоэлектрических охлаждающих устройств 60
2.1. Математическая модель одиночного канала радиоэлектронного блока кассетной конструкции 61
2.2. Математическая модель температурного поля радиоэлектронного блока кассетной конструкции» охлаждаемой принудительным воздушным потоком 70
2.3. Расчет температурного поля электронных плат 89
2.4. Математическое моделирование и расчет термоэлектрического охладителя воздушного потока 101
3. Экспериментальные исследования систем охлаждения РЭС с использованием термоэлектрических охлаждающих устройств 118
3.1. Описание экспериментального стенда 118
3.2. Результаты экспериментальных исследований 122
3.3. Оценка погрешности измерений 136
4. Разработка охлаждающих устройств для обеспечения тепловых режимов РЭС 139
4.1. Шкаф для охлаждения РЭС 139
4.2. Шкаф для охлаждения телекоммуникационного оборудования 146
Заключение 151
Литература 153
Приложения 168
- Применение термоэлектрических охладителей для обеспечения тепловых режимов радиоэлектронных систем
- Математическая модель температурного поля радиоэлектронного блока кассетной конструкции» охлаждаемой принудительным воздушным потоком
- Результаты экспериментальных исследований
- Шкаф для охлаждения телекоммуникационного оборудования
Введение к работе
Исследование и разработка специальных средств теплозащиты радиоэлектронных систем (РЭС), создание принципиально новых типов систем охлаждения, отвечающих специфическим требованиям, оптимизация их энергетических и технико-экономических показателей является важной народнохозяйственной задачей.
Функционирование, надежность и управление рядом приборов и устройств существенно зависит от систем обеспечения температурных 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 указанному требованию и не для всех объектов могут быть использованы.
Актуальность рассматриваемой в работе проблемы непосредственно связана с необходимостью разработки и всестороннего исследования полупроводниковых термоэлектрических систем охлаждения РЭС, применение которых 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 термоэлектрических преобразователей (ТЭП) в области обеспечения необходимых температурных режимов радиоэлектронных комплексов.
Это обусловлено рядом достоинств ТЭП, 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 нагревания 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 пять десятилетий проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований полупроводниковых ТЭУ. Накопленный опыт по эксплуатации, надежности, работоспособности в специфических условиях 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 тепла от радиоэлектронных приборов и элементов.
Целью диссертационной работы является разработка и создание на основе ТЭП новых схем охлаждения РЭС и ее элементов, размещенных в замк-
нутом объеме и объединенных в кассетные конструкции, а также проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований систем тепло-отвода на их основе.
Основными задачами диссертационной работы являются:
Исследование процессов теплообмена в радиоэлектронных блоках кассетной конструкции при принудительном воздушном охлаждении с использованием термоэлектрических батарей (ТЭБ).
Моделирование температурного поля электронных плат, размещенных внутри блока РЭС.
На основе проведенных исследований разработка новых типов устройств для охлаждения блоков РЭС.
Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью подтверждения теоретических данных.
Практическая реализация результатов работы.
В диссертационной работе рассматриваются конструктивные решения систем охлаждения, позволяющие осуществить процесс охлаждения РЭС с непрерывными тепловыделениями. Основным критерием при разработке охлаждающей системы является оптимизация температурного поля РЭС и снижение температуры тепловыделяющих элементов до допустимых значений.
Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для охлаждающих систем на специально созданных стендах в соответствии с разработанными методиками проведения испытаний.
Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности охлаждающих систем, а также проводить целенаправленный и обоснованный их выбор для различных объектов.
В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:
Организация охлаждения блоков РЭС кассетной конструкции, размещенных в замкнутых объемах, путем нового устройства охлаждения воздушного потока, температура которого регулируется ТЭП.
Обобщение математических моделей расчета теплового режима электронных плат, размещенных в блоке РЭС кассетной конструкции, с учетом использования в качестве СОТР принудительного воздушного охлаждения с применением ТЭП.
Учет неравномерности температуры воздушного потока вдоль электронных плат, размещенных в блоке РЭС кассетной конструкции и степени влияния этой неравномерности на их тепловой режим.
Практическая значимость выполненных исследований состоит в разработанных системах охлаждения РЭС на базе полученных в работе обобщенных уравнений, учитывающих характеристики охлаждаемых объектов, ТЭП, а также параметры среды. Определена методика для всестороннего анализа работы теплоотводящих систем, а также влияния характеристик охлаждаемого объекта и других факторов на их энергетические и технико-экономические показатели. На основе анализа работы ТЭП разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы и использованию их в качестве охлаждающих систем РЭС, работающей в непрерывном режиме. Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности представленных к рассмотрению охлаждающих систем, проводить целенаправленный и обоснованный их 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, массо габаритных характеристик и других показателей для объектов РЭС.
Полученные результаты исследований нашли практическое применение в различных организациях и предприятиях. Отдельные разработки при непо-
средственном участии автора испытаны, внедрены и переданы различным организациям. 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 использовались при работе над г/б НИР по теме «Исследование электро- и тегшофизических процессов в полупроводниковых термоэлектрических системах тешгоотвода и создание математических моделей и устройств на их основе» на кафедре «Теоретической и общей электротехники».
Диссертация подводит итог комплексу исследований, выполненных автором за последние 7 лет в Дагестанском государственном техническом университете.
Применение термоэлектрических охладителей для обеспечения тепловых режимов радиоэлектронных систем
Сравнение различных методов получения низких температур для охлаждения РЭС показывает, что термоэлектрическое охлаждение имеет ряд преимуществ, указанных ранее, перед иными способами охлаждения [36].
На рис Л .2.1 и рис. 1.2.2 для сравнения показаны зависимости удельной мощности и массы устройства, отнесенной к 1 Вт получаемого холода от температурного уровня Т0 для ТЭБ и некоторых других охлаждающих устройств [42, 122]. Следует отметить, что сравниваемые механические системы, в частности газовая машина, описанные в [42], возможно и не являются лучшими. В свою очередь, температуры 210.. .190 К могут быть получены на ТЭБ с несколько меньшей массой, чем это показано на рис. 1.2.2. Тем не менее, приведенные зависимости дают в общем правильное представление о сравнительных энергетических и массовых характеристиках рассматриваемых устройств.
Создание для РЭС постоянных температурных условий, обеспечивающих при помощи термоэлектрических охладителей нормальную работу аппаратуры в широком температурном интервале (от +60 до -60 С), в принципе на сегодняшний день может быть осуществлено различными конструктивными решениями [40, 74, 76, 129].
Зависимость удельной массы от температуры охлаждения: 1 -ТЭБ в режиме максимальной экономичности, 2 - ТЭБ с использованием BiSb, 3 - ТЭБ в режиме минимальной массы, 4 - газовая машина ванных теплоизолированных объемах, охлаждаемых (нагреваемых) сопряженными ТЭБ.
3. Изготовление отдельного (микромодульного) элемента совместно с термоэлементом (ТЭ) (ТЭБ). При этом могут быть варианты разборного и неразборного сочленения термоохладителя с объектом охлаждения (микромодулем). Термостабилизация РЭС во всем ее объеме при помощи обработанного в ТЭБ воздуха или жидкости имеет ряд особенностей, ограничивающих область ее использования [36, 104, 153]. К этим особенностям следует отнести следующие: 1. Необходимы средства для транспортировки теплоносителя. 2. В некоторых случаях необходимо увеличение габаритов, вызываемое необходимостью теплоизоляции каналов теплоносителя. 3. Сосредоточение источников холода в одном месте вызывает соответствующий рост удельных тепловых потоков на теплообменных поверхностях (как по холодной, так и по горячей сторонам ТЭБ), что, как правило, требует принудительного теплообмена, который не только усложняет установку, но, главное, увеличивает ее габариты, 4. Наиболее эффективное использование ТЭБ достигается при совместном проектировании конкретного радиоэлектронного устройства и элементов термоэлектрической термостабилизации, т.к. РЭС должна, иметь специально приспособленные каналы для теплоносителя. 5. Термостабилизация объема, в котором расположена вся радиоаппаратура, путем непосредственной подачи в этот объем обработанного теплоносителя (воздуха) целесообразна в тех случаях, когда имеется множество малогабаритных тепловыделяющих элементов с высокими удельными тепловыми потоками, и смонтированные в так называемые "кассетные конструкции", ориентированные относительно шасси РЭС вертикально или горизонтально. Таким образом, систему с охлаждением всех элементов радиоблока можно применять только для конкретного случая с конкретными условиями эксплуатации как РЭС, так и ТЭБ. Без непосредственной увязки конструкции ТЭБ к известному теплоприемнику и известным условиям разводки теплоносителя численный анализ для определения целесообразности использования термобатареи невозможно произвести даже ориентировочно.
Вышеперечисленные особенности системы охлаждения, однако, позволяют утверждать, что для целей термостабилизации микромодульной РЭС, где размеры, вес и экономичность играют решающую роль даже при максимальной эффективности термоохлаждающих веществ, она малоперспективна.
Наиболее желательное конструктивное решение - охлаждение теплоисточников внутри микромодуля посредством встроенных в микромодуль ТЭ. В этом случае можно ограничиться: охлаждением и термостабилизацией только наиболее тепловыделяющих или наиболее ответственных за постоянство параметров элементов аппаратуры (задающих генераторов, кварцев и т. п.), что в значительной степени повысит экономичность и снизит размеры охлаждающей системы.
Кроме того, в малогабаритной аппаратуре с плотной упаковкой ее элементов, внутренние перегревы обычно достигают больших значений, не позволяющих обеспечить необходимого постоянства параметров. Термостабилизация всего комплекса аппаратуры обычно требует дополнительной системы теплосброса с горячей стороны термобатареи, что влечет за собой необходимость увеличения габаритов и веса устройства, а это не всегда допустимо. В случае же выборочного охлаждения наиболее критичных к повышению температуры элементов РЭС дополнительной системы теплосброса может не потребоваться. Ее роль с успехом может быть выполнена, например, шасси РЭС.
Математическая модель температурного поля радиоэлектронного блока кассетной конструкции» охлаждаемой принудительным воздушным потоком
Рассмотрим процессы переноса тепла, учитывая особенности радиоэлектронного устройства кассетной конструкции в герметичном корпусе. На рисунке 2.1.1 изображена схема перехода от реальной тепловой схемы радиоэлектронного устройства в герметичном блоке к упрощенной, полученной в результате идеализации особенностей нагретой зоны и характера протекающих процессов. При анализе температурного поля нагретой зоны принимаются следующие основные допущения и ограничения. 1. Нагретая зона состоит из плоских пластин с гладкими поверхностями. Между пластинами имеются каналы, в которых протекают воздушные потоки. 2. Пластины имеют одинаковые размеры (L» Lz, д) и разделены вертикальными каналами одинаковой ширины (Ь). При этом толщина пластин (S) много меньше остальных ее размеров (5«LX, Lz)\ ширина канала (Ь) много меньше высоты и ширины пластин(«Ьда Lz). Число пластин (п) велико, и соответственно ф+д)«Ьу, где Ly размер нагретой зоны, показанный на рисунке 2.1.1 3. Источники тепла распределены по всем пластинам равномерно. 4. Между нагретой зоной и корпусом имеются периферийные зазоры, толщина которых не меньше ширины каналов между платами. 5. Характер потоков воздуха во всех каналах ламинарный и полностью стабилизирован по длине. 6. Кондуктивные связи пластин с корпусом через монтажные элементы конструкции, разъемы, проводники и т. д. незначительны и при анализе процессов переноса тепла их можно не учитывать.
Схема последовательного упрощения тепловой модели герметичного радиоэлектронного блока кассетного типа: а) исходная модель; б) переход к гладким платам; в) система плат; г) квазиоднородный параллелепипед. Вышеуказанные допущения позволяют вести описание процессов теплообмена в радиоэлектронном блоке как в параллелепипеде с объемными источниками и стоками тепла [59].
Уравнения (2.2.1) и (2.2.2) представляют собой замкнутую систему дифференциальных уравнений для определения fl и fly . Если теплообмен параллелепипеда с окружающей средой происходит по закону
Уравнения (2.2.40,2.2.41) позволяют определить константы Ріа.з-Поскольку температура в той или иной точке параллелепипеда сильно зависит от координаты местоположения, то в случаях, когда происходит равномерное охлаждение воздушного потока не в отдельном канале, а по всему объему, то для расчета параметров термоэлектрического охладителя необходимо знание средней температуры в рассматриваемом объеме.
Необходимо отметить, что решение вышеуказанных задач методом приведения к обыкновенным дифференциальным уравнениям (метод Канторовича) обеспечивает приемлемую для подобного класса задач точность. Ошибка, получаемая при использовании первого приближения соизмерима с точностью определения теплофизических параметров и ошибкой, связанной с переходом от реальной конструкции к эквивалентному однородному параллелепипеду.
Результаты экспериментальных исследований
На основе экспериментального стенда, описанного в предыдущем параграфе, нами был проведен ряд опытов, позволяющих судить о приемлемости развитой в настоящей работе системы охлаждения на практике.
Основной задачей, стоящей перед нами при проведении экспериментальных исследований, являлось определение температурных зависимостей тепловыделяющих элементов имитатора электронной платы при их охлаждении воздушным потоком от параметров ТЭБ. Важным являлось сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретическими с целью проверки адекватности ММ практике.
В опыте в качестве имитатора электронной платы использовалась гетинаксовая пластина длиной 30 см, шириной 20 см и толщиной 0,3 см, содержащая тепловыделяющие элементы с суммарной мощностью тепловыделений 50 Вт, 100 Вт, 150 Вт .
Для регулирования скорости воздушного потока регулировалось напряжение на осевых вентиляторах, установленных на ребрах радиатора холодных спаев термобатареи.
Внешний вид термоэлектрического охладителя воздушного потока показан на рис. 3.2.9 Сопоставление опытных данных с расчетными значениями показало их хорошую сходимость. Максимальное отклонение экспериментальных и теоретических зависимостей составило не более 15 % на всем .диапазоне измерений.
Для анализа возможностей воздушного теплосъема с горячих спаев ТЭБ в ходе эксперимента так же использовался воздушный теплосъем с горячих спаев термобатареи. В процессе эксперимента замерялась температура ребристого радиатора. На рис.3.2.10 показана ее зависимость от максимальной температуры на электронной плате, а на рис.3.2.11 от тока, питающего ТЭБ. Как видно из графика, используемый воздушный съем тепла с радиатора оказывается вполне достаточным для нормальной работы ТЭБ только при не очень значительных мощностях тепловыделений.
Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы: - экспериментальные исследования подтверждают правильность разработанной ММ системы охлаждения герметичных радиоэлектронных блоков, отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет не более 15 %; - указанный способ охлаждения имеет преимущества перед обычным принудительным или естественным, согласно проведенным экспериментальным исследованиям температуры в объеме блока и пиковые значения источников тепловыделений удалось существенно снизить; - при мощностях рассеивания на одной плате в пределах 40 Вт не требуется применения специальных средств по съему тепла с горячих спаев ТЭБ.
Для оценки погрешности измерений использовались методы статистической обработки информации. Результаты статистического анализа позволили оценить достоверность выводов, полученных при интерпретации экспериментального материала. При этом информация, извлеченная на статистическом этапе из наблюдений, являлась входной по отношению к этапу интерпретации с использованием регуляризирующих алгоритмов и позволила дать оценку неопределенности входных данных, необходимую для корректного применения этих алгоритмов и оценки неопределенности регуляризирован-ного решения.
Исследования проводились на основе метода статистической обработки многократных отсчетов. При этом решались следующие задачи: - оценивание случайной погрешности, то есть области неопределенности исходных экспериментальных данных; - нахождение более точного усредненного результата исследования; - оценивание погрешности этого усредненного результата, то есть более узкой его области неопределенности.
При осуществлении экспериментов соблюдалась следующая схема проведения опытов. Измерительная аппаратура калибровалась, тщательно выверялись режимы измерений, устанавливались необходимые значения температуры и влажности. Каждый отдельный опыт проводился четыре раза в идентичных условиях.
Шкаф для охлаждения телекоммуникационного оборудования
Базовые радиостанции, используемые в мобильных системах телефонной связи, излучают большое количество тепла, которое необходимо отводить. Уровень излучения тепла корпусом может достигать 1600-2500 Вт. До 80% излучаемого тепла приходится на радиопередающее оборудование. При этом охлаждение достигается в основном за счет выбора соответствующей конструкции корпуса, а не при помощи радио- или электронного оборудования. Загрязненный и влажный воздух окружающей среды не может быть непосредственно использован для охлаждения электронных устройств. Тем не менее, воздух окружающей среды является основной средой дл отвода тепла, излучаемого корпусом.
До настоящего времени базовые радиостанции чаще всего устанавливались во внутренних помещениях. Устройство охлаждения механического, электронного и радиооборудования разрабатывались с учетом климатических условий окружающей среды во внутренних помещениях, а также с учетом температуры и концентрации содержащихся в воздухе загрязняющих веществ. Однако при изготовлении мобильных телефонных систем все чаще используются небольшие внешние установки, которые размещаются на мачтах или с внешней стороны стен зданий и используются в сотовых системах связи, в принципе эти внешние установки до настоящего времени представляли собой устройства, предназначенные для размещения во внутренних помещениях, а при вынесении наружу в контейнерах предусматривалось громоздкое охлаждающее оборудование. Весьма вероятно, что внешние установки в дальнейшем будут использоваться все чаще и чаще, особенно дл небольших базовых станций, обслуживающих компактные, микро- и пи-коячейки. При этом к охлаждающим устройствам и механизмам будут предъявляться новые требования.
В настоящее время используются внешние установки трех типов: непосредственно охлаждаемые внешним воздухом; герметизированные корпуса, оснащенные теплообменниками; герметизированные корпуса, оснащенные оборудованием кондиционирования и охлаждения воздуха.
Установки первого типа содержат внешний корпус, вмещающий электронное оборудование, предназначенное для работы во внутренних помещениях, и охлаждаются при помощи внешнего воздуха, проходящего эффективную очистку фильтрацией. Хотя в процессе фильтрации и устраняются твердые загрязняющие вещества, но влага и кислотные газы, которые могут повредить электронное оборудование, не удаляются.
В установках второго типа излучаемое тепло отводится в воздух окружающей среды через теплообменники. В этом случае излучаемое тепло, мощность которого может достигать несколько кВт, должно пройти несколько стадий прежде, чем будет рассеяно в окружающем воздухе: от элемента к теплоотводу, к воздуху внутри корпуса или шкафа, и через теплообменники во внешний воздух. Каждая стадия или этап приводят к некоторому повышению температуры элемента. Теплообменник может привести к повышению температуры воздуха внутри корпуса по сравнению с окружающей средой на 15 С. В климатических условиях с температурой 45-50 С такая конструкция позволяет поддерживать температуру электронных и радиотехнических устройств равной 70-80 С, Теплообменники должны быть рассчитаны для всего проходящего тепла, и в случае рассеяния одного-двух кВт это означает, что размеры теплообменника должны быть сопоставимы или почти равняться размерам электронного или радиооборудования.
Используемое в установках третьего типа охлаждающее оборудование, включающее устройства охлаждения, а также, возможно, и теплообменники, может иметь размеры, достигающие половины размеров электронного и радиооборудования. При этом сложно обеспечить резервирование. Устройство имеет высокую сложность и требует совершенной системы охлаждения. Текущая стоимость нуждающегося в резервировании оборудования достигает одной трети или даже половины стоимости целевого оборудования базовой станции. Расходы на эксплуатацию также весьма высоки. При отводе тепла из корпуса устройством охлаждения выделяется дополнительно тепло, мощность которого составляет более одной трети от тепла, излучаемого электронным оборудованием. Это дополнительное тепловыделение оказывает влияние на окружающие предметы. Однако охлаждающие устройства такого типа являются единственными устройствами, которые могут удовлетворить требованиям к температуре электронного оборудования, предъявляемым с учетом как внешних, так и внутренних условий.
Использование в качестве охлаждающих устройств полупроводниковых термоэлектрических модулей позволяет избавиться от таких недостатков установок третьего типа, как громоздкость, выделение дополнительного тепла, совместимость с радиоэлектронным устройством по питанию и т.д.
Предложенное устройство охлаждения содержит первый отсек, в котором предусмотрены проходы или каналы для продува внешнего воздуха, и на входе которого установлен полупроводниковый термоэлектрический теплообменник, в котором в зависимости от температуры внутри блоков радиоэлектронного устройства происходит охлаждение на том или ином температурном уровне. Платы и элементы радиопередающего устройства экранированы для обеспечения электромагнитной совместимости при помощи герметичных кожухов, с внешней стороны которых установлены теплоотводы. Основная часть тепла излучается именно здесь. Проходы для внешнего охлажденного воздуха позволяют параллельным воздушным потокам проходить через базовую радиостанцию, непосредственно контактируя с теплотводами. Один из потоков проходит через небольшой теплообменник, через который проходит воздух, охлаждающий оставшуюся часть электронного оборудования, причем это оставшееся электронное оборудование размеща- ется во втором герметизированном отсеке и излучает намного меньше тепла, чем вышеупомянутые элементы. Для прогона воздуха через теплообменник может быть использован небольшой вентилятор. Вентилятором так же можно регулировать скорость воздушного потока в охлаждаемом блоке, и соответственно, регулировать в определенных пределах температурное поле внутри блока. При необходимости более быстрого повышения или понижения температуры воздушного потока системой терморегулирования меняется ток через термоэлектрическую термобатарею в заданных пределах.
В связи с тем, что электронное оборудование во втором отсеке излучает значительно меньшее количество тепла, которое равномерно распределено и хорошо передается от соответствующих схемных плат, разница температур между охлаждающим воздухом и схемными платами может быть намного меньше, чем для радиопередатчиков и подобных устройств, размещенных в коробках.
