Введение к работе
Актуальность темы исследования. В радиоэлектронном
приборостроении существует целый класс радиоэлектронных устройств, в
процессе своей работы подвергающийся однократным или повторно-
кратковременным «пиковым» тепловым нагрузкам. Данного рода тепловые
нагрузки возникают при значительном возрастании собственного
тепловыделения элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), при кратковременном воздействии на приборы внешних тепловых потоков, а также ряда других факторов. При воздействии «пиковых» тепловых нагрузок радиоэлектронные системы, как правило, не успевают выйти в стационарный температурный режим, поэтому для обеспечения нормальных тепловых режимов их функционирования важным является разработка соответствующих систем охлаждения.
В настоящее время в практике проектирования РЭА применяются различные методы и средства отвода теплоты, среди которых выделяются воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные, термоэлектрические и некоторые специальные.
При этом необходимо отметить, что для обеспечения температурных
режимов работы малогабаритной РЭА с высокими значениями удельных
мощности рассеяния, работающей в режиме повторно-кратковременных
тепловыделений, не все из перечисленных методов являются приемлемыми. Ряд из них является малоэффективным вследствие низкой интенсивности теплоотвода и точности поддержания температуры на требуемом уровне, другие сложны в реализации, требуют громоздкого и сложного в технологическом исполнении оборудования. При использовании большинства систем теплоотвода требуется наличие источника электрической энергии для питания охлаждающего устройства.
В этих условиях перспективным для обеспечения эффективного охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, является метод, основанный на использовании плавящихся рабочих веществ (тепловых аккумуляторов) со стабильной температурой плавления. Конструктивно устройства, реализующие указанный метод, выполняются в виде емкости, заполненной плавящимся рабочим веществом, на которой размещается элемент РЭА. Во время работы основная часть теплоты, рассеиваемой элементом или блоком аппаратуры, поглощается за счет скрытой теплоты плавления теплоаккумулятора. После окончания работы аппаратуры происходит снижение температуры вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой.
Главным недостатком аппаратуры такого типа, ограничивающим ее применение для охлаждения элементов РЭА, является необходимость поддерживания рабочего вещества в состоянии фазового перехода на протяжении всего цикла эксплуатации радиоэлектронного прибора. Так как РЭА в течение времени своего функционирования выделяет значительные мощности, то во многих случаях теплоаккумулирующей способности рабочего
вещества оказывается недостаточно для обеспечения требуемого уровня теплоотвода на протяжении всего цикла ее работы. В результате этого необходимый тепловой режим РЭА нарушается, прибор может выйти из строя.
В связи с этим при охлаждении мощных элементов РЭА с применением
плавящихся рабочих веществ целесообразным является использование
некоторой дополнительной охлаждающей системы для отвода избытка теплоты
от них. В отношении энергетических и массогабаритных показателей в данной
ситуации эффективным является применение для этих целей дополнительной
системы, реализованной на базе воздушного, либо жидкостного метода
охлаждения.
Исследования в области повышения эффективности охлаждающих систем на основе плавящихся тепловых аккумуляторов в данном направлении на сегодняшний день недостаточны. Имеются лишь некоторые упоминания в периодической литературе. Данное обстоятельство определяет актуальность диссертационного исследования.
Степень разработанности проблемы. Исследование проблемы
обеспечения температурных режимов работы РЭА нашло отражение в научных
работах ряда отечественных и зарубежных ученых. Среди них следует отметить
Г.Н. Дульнева, Л.Л. Роткопа, Ю.Е. Спокойного, В.А. Алексеева, А.И. Аксенова,
Н.Н. Тарновского, Е.А. Коленко, В.Г. Парфенова, Т.А. Исмаилова, И.В. Зорина,
А.Л. Вайнера, М.Г. Вердиева, Л.И. Анатычука, D. Steinberg, R. Remsburg, S.
Carlson, R. Simons, W. Nakayama, S. Oktay и др. В данных работах рассмотрены
вопросы обеспечения температурного режима работы РЭА различного
конструктивного исполнения, проектирования охлаждающих систем, в том
числе основанных на использовании тепловых аккумуляторов, оптимизации
характеристик теплоотводящей аппаратуры, технологии ее изготовления.
Анализируя работы перечисленных авторов и определяя их несомненную
значимость, следует отметить отсутствие исследований по системам
охлаждения РЭА, выполненным на основе плавящихся тепловых
аккумуляторов с дополнительным воздушным и жидкостным теплоотводом. Это и определяет цель, задачи и направление настоящего исследования.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной
работы является разработка и создание новых систем охлаждения элементов
РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений,
основанных на совместном использовании плавящихся тепловых
аккумуляторов и средств воздушного и жидкостного теплосъема, дающих возможность повысить продолжительность цикла работы радиоэлектронного устройства, исследование теплофизических процессов, протекающих в них.
Задачами диссертационной работы являются:
-
Критический анализ существующих методов и средств обеспечения температурного режима работы элементов РЭА, в том числе реализованных на основе использования тепловых аккумуляторов.
-
Разработка метода работы системы охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, основанной на совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и средств воздушного и
жидкостного теплосъема, дающей возможность повысить продолжительность цикла работы радиоэлектронного устройства.
-
Создание математической модели системы охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, основанной на совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и средств воздушного и жидкостного теплосъема, реализованной на основе решения задачи теплообмена при фазовом переходе вещества со сложными граничными условиями.
-
Разработка опытных образцов конструктивных вариантов системы охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, основанных на совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и средств воздушного и жидкостного теплосъема
-
Разработка экспериментального стенда и методики проведения натурных испытаний опытных образцов исследуемой системы.
-
Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математической модели.
7. Практическая реализация результатов работы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
-
Методе охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, состоящем в совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и средств воздушного и жидкостного теплосъема, дающем возможность повысить продолжительность цикла работы радиоэлектронного устройства за счет сокращения времени затвердевания рабочего агента.
-
Математической модели, описывающей тепловые режимы функционирования систем охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, построенной на вышеописанном принципе, учитывающей как наличие, так и отсутствие конвективных потоков в жидкой фазе вещества, а также использование для интенсификации процесса затвердевания рабочего агента дополнительной воздушной и жидкостной системы теплоотвода.
-
Конструкциях устройств для охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, реализующих принцип совместного использования плавящихся тепловых аккумуляторов и средств воздушного и жидкостного теплосъема.
Теоретическая значимость исследования состоит в:
- разработке положений, расширяющих границы применимости систем
охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных
тепловыделений, выполненных на основе плавящихся рабочих веществ;
- изложении гипотезы, подтвержденной как результатами расчетов, так и
эксперимента, о возможности существенного сокращения продолжительности
«паузы» в работе элемента РЭА за счет его охлаждения посредством
использования разработанной системы теплоотвода;
- полученных соотношениях, описывающих теплофизические процессы в системе охлаждения элементов РЭА на базе плавящихся рабочих веществ с дополнительным воздушным и жидкостным теплоотводом;
- результатах численного эксперимента, дающих новые знания о
теплофизических процессах, происходящих в системе охлаждения элементов
РЭА, выполненной на базе плавящихся рабочих веществ с дополнительным
воздушным и жидкостным теплоотводом;
- модернизации методики проектирования систем охлаждения элементов
РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловых нагрузок,
выполненных на основе плавящихся рабочих веществ.
Практическая значимость работы определяется:
разработанными конструкциями устройств для охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений, позволяющими повысить надежность, эффективность, а также срок службы радиоэлементов;
внедрениями результатов исследований в производственный и учебный процесс;
- перспективами использования результатов работы на практике, в
первую очередь, в организациях и учреждениях, занимающихся разработкой
аппаратуры для обеспечения надежной работы РЭА;
- рекомендациями по эксплуатации разработанного прибора на практике.
Методология и методы исследования. В процессе решения задач
диссертационной работы использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности твердых тел, теория фазовых переходов веществ при изменении их агрегатного состояния, методы математической статистики, приближенные аналитические и численные методы решения систем дифференциальных уравнений в частных производных, методы натурных испытаний и компьютерной обработки результатов эксперимента.
Положения, выносимые на защиту.
-
Метод охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, состоящий в совместном использовании плавящихся тепловых аккумуляторов и средств воздушного и жидкостного теплосъема.
-
Математическая модель системы охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, построенная на предложенном принципе, реализованная путем решения задачи теплообмена при плавлении и затвердевании рабочего вещества при наличии и отсутствии конвективных потоков в его жидкой фазе, а также конвективного теплообмена при затвердевании рабочего агента.
-
Конструкции устройств для охлаждения элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями, повышающие надежность и эффективность их работы.
Степень достоверности результатов исследования. Разработанный принцип охлаждения элементов РЭА, математические модели, а также устройства, реализующие данный принцип, достоверны ввиду корректного
использования математического аппарата, методов натурных испытаний, а также хорошей сходимости результатов эксперимента и расчета.
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные
результаты докладывались и обсуждались на XV Международном молодежном
форуме «Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке» (Харьков, ХНУРЭ, 2011 г.),
V Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и
пищевые технологии в 21 веке» (Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2011 г.), XIII
Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применение» (Санкт-
Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2012 г.), II Международной научно-
технической конференции «Наука, техника, инновации» (Брянск, НДМ, 2015
г.), XVII Международной научно-технической конференции «Измерение,
контроль, информатизация» (Барнаул, АГТУ, 2016 г.), VIII Международной
научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые
технологии в 21 веке» (Санкт-Петербург, ИТМО, 2017 г.), научно-технических семинарах кафедры теоретической и общей электротехники ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет» с 2011 по 2017 гг.
Разработка «Устройство для отвода теплоты от элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений с воздушным охлаждением» удостоена золотой медали XVIII Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2015» (Москва).
Результаты исследований внедрены в практику филиал РТРС «РТПЦ Республики Дагестан», а также в учебный процесс ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 6 статей опубликовано в материалах работы научных конференций, 5 патентов на изобретения РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 1 таблицу.