Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние в области обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры, перспективы использования для этих целей термоэлектрического метода преобразования энергии 8
1.1. Методы и средства охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры 8
1.2. Перспективы использования термоэлектрического охлаждения для обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры 25
1.3. Особенности обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры, удаленных от источника холода 34
1.4. Постановка задач исследования 40
2. Теоретические исследования системы обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения 44
2.1. Схемы теплового сопряжения термоэлектрического охлаждающего устройства на базе слоистой термоэлектрической батареи с элементами радиоэлектронной аппаратуры 44
2.2. Расчет теплового поля и термомеханических напряжений слоистого термоэлемента 47
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 65
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 75
Выводы 85
3. Экспериментальные исследования системы обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения 88
3.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения эксперимента 88
3.2. Результаты экспериментальных исследований 92
3.2. Результаты экспериментальных исследований 93
3.3. Оценка погрешности измерений 1 106
Выводы 108
4. Конструкции устройств для обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения 110
4.1. Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с цельнометаллическими теплопроводами 110
4.2. Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с тепловыми термосифонами 117
Заключение 122
Литература 124
- Перспективы использования термоэлектрического охлаждения для обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры
- Расчет теплового поля и термомеханических напряжений слоистого термоэлемента
- 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
- Устройства для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, выполненные на базе сильноточных термоэлектрических батарей слоистой конструкции, с тепловыми термосифонами
Введение к работе
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:
Разработка СОТР элементов РЭА с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения, выполненной на базе сильноточных ТЭБ слоистой конструкции.
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 элемен
том осуществляется за счет гибкого цельнометаллического теплопро
вода.
Исследование конструкции СОТР элементов РЭА на базе слоистых ТЭБ, в которой сопряжение последних с тепловыделяющим элементом осуществляется за счет теплового сифона.
Проведение комплекса экспериментальных исследований.
На основе проведенных исследований разработка новых типов устройств для теплоотвода от элементов РЭА, являющихся составной частью аппаратуры с плотной упаковкой.
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.
Перспективы использования термоэлектрического охлаждения для обеспечения тепловых режимов функционирования элементов радиоэлектронной аппаратуры
Сравнение различных методов получения низких температур для охлаждения РЭА показывает, что в ряде случаев, когда охлаждаемые объекты невелики, теплообмен с окружающей средой сведен к минимуму и охлаждающие устройства выделяют относительно небольшие тепловые мощности (порядка 0,5 кВт), термоэлектрическое охлаждение, несмотря на низкую холо-допроизводительность, имеет ряд преимуществ перед иными способами охлаждения [38, 39, 67, 88, 93].
Эти преимущества состоят в: возможности создания миниатюрных охлаждающих устройств в тех случаях, где применение иных способов охлаждения встречает существенные трудности или практически невозможно; экологической безопасности и бесшумности; неограниченном ресурсе работы охладителя; отсутствии в охлаждающих системах рабочих жидкостей и газов и, следовательно, отсутствием опасности загрязнения окружающего пространства; независимости параметров холодильника от ориентации в пространстве или влияния поля тяжести; возможности регулирования и статирования температуры путем регулирования тока питания; быстродействии и возможности получения заданной временной зависимости. На рис. 1.4 показана область рационального применения полупроводниковых термоэлектрических охладителей [42]. Из рисунка видно, что при температуре охлаждения до 260 К и тепловых нагрузках 70-80 Вт, ТЭУ оказываются вне конкуренции по всем показателям (энергия, масса, объем). При получении более низких температур (210... 190 К) ТЭБ (каскадные), уступая другим системам в энергетической эффективности, продолжают превосходить последних в массогабаритных параметрах. На рис. 1.5 и рис. 1.6 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 [45, 65]. Следует отметить, что сравниваемые механические системы, в частности газовая машина, описанные в [78], 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. 1.6. Тем не менее, приведенные зависимости дают в общем правильное представление о сравнительных энергетических и массовых характеристиках рассматриваемых устройств.
Немаловажным фактором, определяющим использование ТЭУ на практике, является его стоимость. Здесь также необходимо подчеркнуть, что экономическая эффективность термоэлектрического метода получения искусственного холода быстро возрастает с уменьшением холодопроизводи-тельности. Именно поэтому стремительно развивается производство маломощных ТЭУ, так как их холодопроизводительность не превышает условного критического уровня 100 Вт. Это же обстоятельство способствует быстрому росту термоэлектрических охлаждающих систем для радиоэлектроники (в табл. 1.2 из 19 производителей средств для охлаждения РЭА 8 занимаются разработкой охлаждающих ТЭУ). Однако надо отметить повышение технологичности изготовления термоэлектрических модулей, в связи с чем наблюдается резкое уменьшение стоимости термоэлектрического охлаждения (рис. 1.7). В настоящее время стандартный ТЭМ холодопроизводительностью 80-100 Вт стоит уже менее 15 USD в розницу.
Несмотря на то, что стоимость холода, получаемого методом термоэлектрического охлаждения, снизилась с начала 60-х годов более чем на порядок, термоэлектрическое преобразование теплоты все еще имеет ограничения по применению в связи с относительно низкой термодинамической эффективностью.
Если подходить критически ко всем преимуществам термоэлектрического приборостроения, изложенным выше, то обнаружим, что большинство этих преимуществ следует отнести иногда к разряду возможно реализуемых, а иногда к противоречивым и невозможным их реализация в полном спектре. Проанализируем эти преимущества в отдельности.
ТЭБ должны обладать практически неограниченным сроком службы из-за отсутствия в них каких-либо движущихся частей. Это преимущество ТЭБ практически реализовывается только в устройствах с неоправданно большим расходом термоэлектрического вещества, когда ТЭ имеют достаточно большую высоту, чтобы уменьшить величину биметаллического эффекта, приводящего к разрыву ТЭБ на контактах [30]. Чтобы реализовать это преимущество ТЭБ сполна, разработаны гибкие конструкции коммутационных пластин, которые приводят к росту Джоулева тепловыделения и, следовательно, к снижению их термодинамической эффективности. В другом случае для частичной реализации этого преимущества уменьшают сечение ветвей ТЭ. В этих конструкциях, выпускаемых серийно, вроде, реализовывается практически неограниченный срок службы вместе с ростом внутреннего сопротивления термобатареи. В действительности, как известно, надежность всякого полупроводникового устройства линейно падает с ростом числа коммутационных контактов. Вместе с этим следует отметить, что количество теплоты, поглощаемое на холодном спае ТЭ, линейно зависит от величины тока и коэффициента Пельтье. Отсюда следует, что существующие слаботочные ТЭБ в случае использования их в большом количестве для конструирования достаточно мощных холодильных установок, обладают недостаточной надежностью за счет роста числа ТЭ, а также низкими термодинамическими характеристиками.
Расчет теплового поля и термомеханических напряжений слоистого термоэлемента
Расчетная схема определения теплового поля в слоистом ТЭ приведена на рис.2.3. Области 1,3 и 5 — коммутационные пластины. 2 и 4 - термоэлектрический материал. где Гф - температура окружающей среды, а- коэффициент термо-э.д.с, /3-коэффициент теплообмена с окружающей средой, /Зтс - коэффициент теплообмена с системой теплосброса, Ттс - температура системы теплосброса. Решение системы уравнений (2.1)-(2.5) с соответствующими начальными и граничными условиями (2.6)-(2.17) аналитическим методом затруднительно, при этом полученное решение будет непригодно для анализа ввиду большой сложности [28]. В этом случае целесообразно использовать численные методы решения [35, 54, 70, 74]. Для задач со сложной геометрией наиболее оптимальным подходом является поиск решения с помощью метода конечных элементов [76, 89]. Общее решение данной задачи методом конечных элементов осуществляется в следующей последовательности. Введем конечно-элементное представление где чертой сверху обозначено приближенное решение; К — суммарное число узловых точек; p0(x,y,t) выбирается так, чтобы точно удовлетворялись начальные и граничные условия; функция Nk(x,y) - пробная функция; коэффициенты (pk(t) - неизвестны и определяются из системы уравнений, получаемых из исходного уравнения. Каждое из исходных уравнений (1)-(5) можно записать в символьном виде Если подставить (2.19) в (2.18), то оно не будет тождественно удовлетворяться.
Следовательно, можно записать величина R называется невязкой уравнения. Для определения коэффициентов pk(t) используется система уравнений Галеркина: Для поиска решения стационарной задачи использованы изопараметри-ческие элементы треугольной формы. На рисунке 2.4 представлены изопара-метрические треугольные элементы двух типов. Приближенное решение в этом случае может быть представлено в виде: где базисные функции Njfe.rj) определяются как Выбирая для уменьшения невязки функцию R(x,y) ортогональной ко всем базисным функциям Nk(x,y), и учитывая, что они обладают локальным носителем только на элементах, расположенных вокруг точки сетки к, имеем [89]: По данной методике осуществлен численный расчет температурного поля слоистого ТЭ. Основные результаты вычислительного эксперимента приведены на рис.2.6-2.10. На рис.2.6 приведена структура ТЭ с геометрическими размерами и наложенной на нее конечноэлементной сеткой. Размер ячейки сетки подбирается исходя из определяющего размера. Изменение температуры в различных точках слоистого ТЭ вдоль продольной оси во времени: 1 - холодная коммутационная пластина, 2 - ветвь ТЭ на расстоянии 1,5 мм от холодной коммутационной пластины, 3 - ветвь ТЭ на расстоянии 1,5 мм от горячей коммутационной пластины, 4 - горячая коммутационная пластина На рис. 2.9-2.10 показано соответственно распределение температуры ТЭ вдоль его продольной оси при различной величине тока питания, а также изменение во времени температуры в различных точках слоистого ТЭ.
Как следует из полученных данных, при использовании ТЭ в слоистом исполнении можно получить значительный перепад температур между холодной и горячей коммутационной пластиной при большой величине теплового потока. Так, как следует из рис.2.7-2.8, при перепаде температур между коммутационными пластинами в 47 К тепловой поток на холодном спае ТЭ, пропорциональный его холодопроизводительности, составляет порядка 18000 Вт/м", что соответствует при данной геометрии ТЭ току питания в 140 А. С уменьшением величины питающего электрического тока значение теплового тока на холодном спае ТЭ и перепад температур между его спаями также уменьшаются. Согласно рис.2.9 при снижении тока питания ТЭ с 140 А до 80 А перепад температур между спаями ТЭ уменьшается с 47 К до 31 К, соответственно тепловой поток на холодном спае уменьшается с 18000 Вт/м" до 12000 Вт/м2. На рис.2.10 приведены данные об изменении температуры холодной и горячей коммутационной пластин, а также различных точек ветви ТЭ во времени при токе питания 140 А. Согласно приведенным данным, температура в указанных точках выходит на установившийся режим примерно через 900 с. Данное обстоятельство связано с достаточно большими габаритными размерами ТЭ. При толщине коммутационных пластин 2 мм и высоте ветвей ТЭ 4 мм площадь поперечного сечения равняется 400-10 6 м2. При этом, как следует из расчетных данных, целесообразным будет являться предусмотреть, в соответствии с [40] съем теплоты не только с горячих комтуационных пластин, но и также с близлежащей к ним поверхности ветвей ТЭ. В данном конструктивном исполнении может быть предложен дополнительный тепло-съем примерно с 1/3 боковой поверхности ТЭ.
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
Как было указано в главе 1 возможным конструктивным решением дистанционного разделения источника холода и его потребителя является использование теплопроводов, изготовленных из материалов с большой теплопроводностью (например, медь) и соответственно обладающих малыми тепловым сопротивлением в направлении теплового потока. Однако в этом случае возникают дополнительные теплопритоки к теплопроводу из окружающей среды, резко возрастают вес и габариты устройства.
Приемлемым методом, позволяющим практически устранить, либо значительно уменьшить перечисленные недостатки, является применение в качестве теплопровода испарительно-конденсационного теплового термосифона, при использовании которого коэффициент теплообмена в испарительной и конденсационной зонах может достигать величины 105 Вт/м2-К [52, 57].
В настоящем параграфе предложена математическая постановка и решение задачи исследования подобной системы, основанной на совместном использовании термоэлектрического холодильника и теплового термосифона, выполняющего роль теплопровода между удаленными источником холода и его потребителем - элементом РЭА. При этом задача разбивается на три части с соответствующими условиями сопряжения на границах зон (испарения, конденсации и транспортная зоны) [78, 89].
Математическая постановка задачи расчета различных зон испарительного теплового термосифона при условии соприкосновения зоны испарения с элементом РЭА и зоны конденсации с холодными спаями ТЭ имеет следующий вид (рис.2.21). При этом предполагается, что тепловой сифон имеет цилиндрическую форму и решается осесимметричная задача.
Для первого случая, когда жидкая фаза движется по внутреннему каналу, а паровая фаза перемещается по межтрубному пространству система уравнений записывается в виде: Во втором случае, когда жидкая фаза перемещается по межтрубному пространству, а паровая фаза по внутреннему каналу транспортной зоны, система уравнений записывается в виде: В случае наличия теплообмена с окружающей средой эта система уравнений видоизменяется. Уравнение баланса энергии в адиабатном случае исключается. Условия сопряжения зон на границах транспортной зоны имеют вид: При этом на скорость движения паровой фазы накладываются следующие ограничения: G(z), G (z) - соответственно массовый расход жидкой и паровой фазы теплоносителя по сечению; Ср, Ср - соответственно теплоемкость жидкой и паровой фазы теплоносителя при постоянном давлении; К - проницаемость капиллярной структуры зоны; М- число Маха; Rh - радиус внутреннего канала транспортной зоны; RN - наружный радиус зоны; R - текущий радиус канала; к - отношение универсальной газовой постоянной к молярной массе пара теплоносителя; / - энтальпия жидкой фазы теплоносителя; / - энтальпия паровой фазы теплоносителя; pup — соответственно плотность жидкой и паровой фазы; Rn - радиус канала паровой фазы; RK - радиус канала зоны конденсации; g - ускорение свободного падения; ф - угол наклона теплового термосифона к горизонту; 3 и 3 — средние значения скорости движения соответственно жидкой и паровой фазы; єК - пористость капиллярной структуры; ju - коэффициент динамической вязкости жидкой фазы теплоносителя; - длина испарительно-конденсационного теплового термосифона; (7Н - коэффициент поверхностного натяжения теплоносителя; книтки - радиус нитки капиллярной структуры; zu - координата зоны испарения; zm - координата транспортной зоны; zK — координата зоны конденсации; q - количество теплоты, переносимое через сечение канала теплового термосифона за единицу времени; (9- показатель адиабаты, величина которого равна 1,67; 1,4; 1,33 соответственно для одноатомного, двухатомного и многоатомного теплоносителя; а0 - скорость звука в паровой фазе теплоносителя; акр - скорость звука в паровой фазе теплоносителя в критическом состоянии; р кр - плотность теплоносителя в критическом состоянии; Ткр - критическая температура теплоносителя. Искомой величиной в математической модели является количество теплоты, переносимое через сечение канала теплового термосифона за единицу времени и связанное с ним значение температуры в каждой точке канала. На рис.2.22 приведена двумерная картина распределения теплового потока по теплопроводу, выполненному в виде теплового термосифона, а на рис.2.23 рассмотрено изменение теплового потока вдоль продольной оси теплопровода при условиях, соответствующих параграфу 2.3. В качестве теплоносителя предполагалось использование хладагента R 124 b (C2H3CIF2) с температурой кипения 263, 2 К. Как следует из полученных результатов, поле распределения теплового потока в тепловом сифоне практически равномерное. При этом максимальное отличие в величине теплового потока между его концами равно 900 Вт/м". Для сравнения это значение в случае использования медного теплопровода составляло 5800 кВт/м2. Таким образом, следует, что при необходимости сопряжения тепловыделяющего элемента РЭА и ТЭБ удаленных друг от друга на достаточно большое расстояние (свыше 0,6 м), целесообразным является применение не цельнометталического теплопровода, а теплопровода, изготовленного в виде теплового термосифона. Вместе с тем при небольших расстояниях между элементом РЭА и ТЭБ эффективнее все же является использование цельнометаллических теплопроводов, имеющих более простую конструкцию и технологию изготовления.
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 эле- ментом 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 вы полнены в виде полых электроизолированных снаружи гибких трубок 5, за правленных теплоносителем 6, на концах которых вакуумно герметично ус тановлены 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 со единены 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 кон такты 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.
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.
