Atf W 30 20 10

/да 200 300 Ш 500 BOO Руд

1,1 1,0

0,S 0,6 0,7

0,3 e

1000

1Ш MM рт.ст.

0,9 0,8

1.0 0,3

0,2 0,4- 0,6 Aj

0,2 0,6 h,/L p

1,1 1.0 0,3 0,8

0,1 0,2 0,3 0,lt 0,5 L,h,M

Рис. 15.10. Графики для расчета средней температуры корпуса и нагрето^

зоны коэффициентным методом: н.з.в. - нагретая зона с вертикальной ориентацией; н.з.г. - нагретая зона . с горизонтальной ориентацией

Определение размеров и параметров нагретой зоны. Для упрощенной тепловой модели, когда вычисляется среднеповерхностная температура нагретой зоны, определить ее эквивалентные размеры можно по следующим формулам.

Объем аппарата (м^)

Fan ЬгЬгК (15.21)

где LiK Ьг - размеры нижней стенки корпуса аппарата, ы;к - высота корпуса, м (рис. 15.11).

Объем деталей j/д равен сумме объема шасси и объемов всех деталей, установленных на нем. , -

Зс;с;с

Рис. 15.11. Изделие и его нагретая зона

Для аппарата кассетной конструкции объем деталей равен сумме объемов всех плат и всех деталей, установленных на них. Коэффициент заполнения объема аппарата

Приведенный размер основания нагретой зоны

где Lj и L2 - размеры, м.

Приведенная высота нагретой зоны

(15.22) (15.23)

(15.24)

Приведенная высота воздушного зазора (м) (см. рис. 15.11) между нагретой зоной и кожухом

= (й-йз)/2. (15.25)

Геометрический фактор

Гг=Й1 пр, (15.26) где / р определено формулой (15.23). Поверхность корпуса аппарата

S,= 2iLiL2 + L th + Lzh) , (15.27)

где все размеры (в м) показаны на рис. 15.11, а.

Приведенную поверхность нагретой зоны можно вычислить по фор-

= 2/ р(/ р + 2йз). (15.28)

Удельная поверхностная мощность корпуса и нагретой зоны может быть вычислена по формулам

уд. к

(15.29)

уд.з--/ з, (15.30)

где Р - мощность, выделяемая в корпусе или нагретой зоне, Вт; 5* - поверхность, м^.

Р\П. Ч - P/S3,

в зависимости от ориентации шасси в кожухе будем различать нагре-тую зону с горизонтальной и вертикальной ориентациями.

Для аппаратов кассетной конструкции ориентацию нагретой зоны считают вертикальной, если в зазорах между кассетами существует теплоперенос за счет конвективных потоков воздуха. Следует учитьшать, что даже при вертикальном расположении зазора конвективный тепло-перенос фактически отсутствует, если выполняется хотя бы одно из трех перечисленных далее условий: а) средний зазор между поверхностью деталей и плоскостью соседней кассеты не превышает 2-3 мм; б) давление внутри аппарата менее 10 мм рт. ст.; в) аппарат находится в условиях невесомости.

Поэтому при соблюдении перечисленных условий ориентаццю нагретой зоны для аппаратов кассетной конструкции следует условно считать горизонтальной.

Для расчета среднеповерхностной температуры кассет в аппаратах с вертикальной ориентацией нагретой зоны необходимо ввести дополнительные геометрические характеристики (исходные данные указаны на рис. 15.11).

Поверхность нагретой зоны, состоадей из нескольких кассет:

2{L,Ly +L,L,+L, Ly), . (15.31)

где Lx, Ly, Ьг выражены в м; 5*31 - в м^.

Приведенная высота деталей, размешенных на кассете:

h.p=Vj{UL.), (15.32)

гдеГд - сумма объемов всех деталей, расположенных на кассете, м^. Приведенная толщина кассеты

8 р = 5 + й„р , (15.33)

где 6 - толщина печатной платы, на которой закреплены детали, м. Приведенная толщина зазора шежлу кассетами (ь м)

Кр = Ь - Кр, (15.34)

где b - расстояние между печатными платами, м.

Площадь поверхностей кассет, обращенных друг к другу (в м^):

S,2-=2ULy (w -1), (15.35)

где т - число кассет.

Площадь поверхностей плат, излучающих лучевую энергию в сторо-ну кожуха; + тК, (L. + L.)], (15.36)

где т - число кассет.

Расчет средней птерхностной температуры корпуса аппарата. Средняя поверхностная температура корпуса аппарата может быть найдена по формуле

=окр +Аи, {\5.ЪТ)

где toKp - температура окружающей среды, °С; Д?, - среднеповерхност-ный перегрев корпуса, °С, который можно найти по формуле

дгк = М^к,к,кекн. (15.38)

В формуле (15.38) базовый перегрев Atp зависит от удельной мощности Рудк.а коэффициенты к зависят соответственно от площади поверхности корпуса аппарата Sk температуры окружающей среды toKp , степени относительной черноты поверхности г„ и давления воздуха Н. На рис. 15.10 приведены графики, позволяющие найти все входящие в (15.38) сомножители для давления воздуха 400-1500 мм рт. ст. и его температуры от О до 60 °С. Для меньщих значений давления соответствующие графики можно найти в [15].

Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны. Среднепо-верхностную температуру нагретой зоны можно вычислить по формуле

t3 = tK+At3 , (15.39)

где ts- средняя температура корпуса, град [см. (15.37)]; At, - превышение средней температуры нагретш зоны над температурой корпуса, °С;

А f 3 = Atp, /с, р /f*3 к,к, к, к, кц. (15.40)

Параметры / р, К, к^, е„ определены формулами (15.23), (15.22), (15.26), (15.18).

Высота корпуса h и давление воздуха Я должны быть известны конструктору; tj - средняя температура корпуса, в который помещен аппарат [см. (15.37)]; Atp3 зависит от Руд . Соответстующие коэффициенты и Atp 3 можно найти по графикам рис. 15.10, которые справедливы для давлений 400-1500 мм рт. ст. Для меньшик значений давления графики можно найти в [15].

Приближенная оценка среднеповерхностной температуры корпуса и среднеповерхио,.тноп температуры кассет для аппаратуры с вертикальной ориенгацией нагретой зоны.

1. Кожух с уплотнением. Оценка указанных параметров может быть произведена с погрешностью порядка + 40% по приведенным далее формулам.

Средний перегрев корпуса по сравнению с температурой окружающей среды (°С)

AtK = Р/ (95к), (15.41)

где Р- выделяемая в аппарате мощность, Вт; - площадь поверхности корпуса, м^ [см формулу (15.27)].

Средний перегрев поверхности кассет над температурой окружающей среды (°С)

At , =At,(l + C), (1-42)

где

л = 1 + -

Опр

4,555,

5.+- (15.44)

Входящие в эти формулы параметры S, 5зг, S3 г, S33 и Ь„р определены формулами (15.27), (15.31), (15.35), (15.36) й (15.34).

Рис. 15.12. Зависимость теплообмена конвекцией от коэффициента перфорации

2. Кожух С перфорациями. Для учета влияния перфораций на температуру перегрева следует вычислить коэффициент перфорации

fco = 5*0/(L ,L 2), (15.45)

где 5*0 - суммарная площадь отверстий в дне кожуха, м^ (предполагается, что площадь отверстий в дне и крыщке одинакова); Li и L2 - размеры дна аппарата, м.

После этого по графику рис. 15.12 можно найти коэффициент а.

Среднеповерхностная температура перегрева с учетом влияния перфорации

= ab.t

(15.46)

где Д^кас - среднеповерхностная температура кассет, найденная по формуле (15.42).

Вычисленное по приведенным формулам значение перегрева характеризует среднюю температуру нагретой зоны, но никоим образом не характеризует температуру в любой ее точке.

В радиотехнических устройствах тепловая энергия выделяется в отдельных узлах и приборах, таких, как радиолампы, моторы, трансформаторы, резисторы, полупроводниковые приборы, микросхемы и т. д.

Ввиду того что указанные элементы размещены по объему аппарата неравномерно, в отдельных его точках получается концентрация тепловой энергии, сопровождаемая местными повышениями температуры. При этом в тяжелых температурных условиях могут оказаться как сами источники нагрева, так и другие узлы и приборы, расположенные в непосредственной близости.

Конструктор обязан принять меры к тому, чтобы температура нагрева для любого элемента не превыщала допустимых значений. При решении этой задачи приходится идти по двум путям: снижение общей (средней) температуры нагрева аппарата и отвоД теплоты от отдельных наиболее нагретых участков объема.

Для охлаждения аппарата следует в первую очередь интенсифицировать процесс радиации за счет окраски как внутренней, так и наружной поверхности футляра темными красками, имеющими матовую или шероховатую поверхность.

Интенсификация как радиации, так и конвекции может быть достигнута при некотором увеличении объема аппарата, если увеличить поверхность теплоотдачи за счет размещения на футляре ребер. Указанные ребра нужно изготавли-Рис. 15.13. Футляр: вать из материала с хоро-

в-с ребрами; 6-с жалюзи ШеЙ ТеПЛОПрОВОДНОСТЬЮ;

Рис. 15.14. Схема охлаждения:

/ - шасси; 2 - футляр; 3 - узел, защищенный от нагрева; * - тепловой экран; J - нагревающий узел (стрелками показано направление конвекционного потока воздуха)

ОНИ должны иметь хороший тепловой контакт с поверхностыо футляра Пример вьшолнения футляра с ребрами приведен на рис. 15.13, а.

Наоборот, узлы и приборы, которые нужно защитить от теплового воздействия со стороны соседних нагревающихся устройств, должны иметь светлую блестящую поверхность. С целью дополнительной защиты таких устройств можно между ними и источниками нагрева установить тепловые экраны с хорошей теплопроводностью, тщательно соединенные с шасси и имеющие гладкую блестящую поверхность (например, из алюминия). Пример вьшолнения экрана приведен на рис. 15.14. Расположение сильно нагревающихся элементов по краям шасси в непосредственной близости от стенок футляра улучшает отдачу теплоты от этих элементов к стенкам и способствует понижению температуры внутри аппарата. Около наиболее нагретых узпов и приборов в шасси можно делать отверстия: холодный воздух из-под шасси будет поступать к источникам теплоты и охлаждать их.

Если снабдить стенки футляра жалюзи или отверстиями (см. рис. 15.13, б и 15.14), то будет иметь место циркуляция воздуха непосредственно внутри аппарата, что снизит температуру узлов и приборов, как это следует из формулы (15.46). Отверстия следует располагать в нижней и в верхней частях футляра аппарата так, чтобы восходящие потоки воздуха омывали большую поверхность нагревающихся элементов.

Охлаждение происходит тем интенсивнее, чем больше зазор между расположенными по соседству узлами и приборами. При работе аппаратуры на большой высоте теплоотдача за счет конвекции уменьшается из-за уменьшения плотности и теплоемкости воздуха. Следует иметь в виду, что введение отверстий или жалюзи недопустимо в аппаратуре, работающей в условиях запыленного воздуха, а также если внутри фут-л^а расположены незащищенные от воздействия пыли точные механизмы, контакты реле, элементы схемы с высокими напряжениями и другие устройства, работа которых может быть нарушена осаждающейся , пылью.

Если перечисленные меры не позволяют получить требуемые значения температуры внутри аппарата, то следует увеличить его объем или перейти к более сложным, но и более эффективным системам охлаждения, которые были рассмотрены (принудительная циркуляция воздуха, жидкостные системы охлаждения).

Большая часть тепловой энергии от нагревающихся элементов передается шасси аппарата. С целью отвода теплоты от горячих зон конструкцию шасси следует делать максимально теплопроводной (например, из алюминия). Теплоту, накапливающуюся в шасси, следует отводить в окружающее пространство, для чего шасси должно иметь хороший тепловой контакт с одной из стенок футляра.

Если на передней панели не располагаются термочувствительные элементы, то целесообразно наиболее сильно нагревающиеся узлы и

приборы располагать в непосредственной близости от нее. Это создает наиболее короткий путь для теплового потока-и уменьшает распространение теплоты в другие участки шасси, где могут располагаться термочувствительные элементы.

Наиболее интенсивно нагревающиеся узлы и приборы, температуру нагрева которых желательно снизить, должны иметь хороший тепловой контакт с шасси; они должны соединяться с шасси устройствами из материалов с хорошей теплопроводностью. Поверхности таких узлов и приборов должны быть выкрашены темной матовой краской. Если сильно нагревающийся элемент заключен в экран, то его внутренняя и наружная поверхности также должны быть окрашены в темный цвет.

Радиаторы. Радиаторами называют устройства, предназначенные для отвода теплоты от отдельных сильно нагревающихся устройств (обычно полупроводниковых приборов средней и большой мощности) в окружающее пространство.

Чтобы радиа-fop эффективно выполнял свои функции, он должен обладать следующими свойствами: 1) тепловое сопротивление в месте контактирования источника тепловой энергии (например, корпуса транзистора) с радиатором должно быть минимальным; 2) поверхность радиатора, отдающая теплоту окружающему воздуху, должна быть максимально возможной; 3) тепловое сопротивление радиатора должно быть минимальным.

На рис. 15.15 показаны три варианта конструкции радиатора: штьфь-ковый, с ребрами в виде пластин и без ребер.

Штырьковый радиатор обладает наиболее развитой поверхностью и поэтому может обеспечить требуемую температуру корпуса полупроводникового прибора (ППП) при минимальных габаритах радиатора. Наихудшей теплоотдачей в окружающее пространство обладает радиатор без ребер; радиатор с ребрами в виде пластин занимает промежуточное положение между двумя названными.

Чтобы иметь малое тепловое сопротивление между корпусом ППП и радиатором, необходимо обеспечить большую площадь соприкосновения двух деталей. Поэтому поверхность радиатора в месте соприкосновения с ППП тщательно обрабатывают, так как микронеровности поверхности резко сокращают фактическую площадь теплового контакта.

Рис. 15.15. Радиаторы: а - без ребер; б - пластинчатый; в - штырьковый

Иногда между двумя телами, которые должны иметь хорощий тепловой контакт, устанавливают прокладку из мягкого и хорошо теплопрово-дящего материала (например, из отожженной меди) или вводят специальные теплопроводящие пасты. Для контакта без прокладок и пасты приближенно

Rir2,2/S (15.47)

где - тепловое сопротивление, град/Вт; - площадь контактной поверхности двух тел, см.

Воспользовавшись формулой (15.10), можно найти превышение температуры корпуса ПИП над температурой радиатора в месте установки ППП:

Ati =PrRir, (15.48)

где Ati - превышение температуры, град; - выделяемая в ППП мощность, Вт.

Бывают случаи, когда ППП, установленный на радиаторе, должен быть изолирован от него. В этом случае приходится устанавливать между корпусом ППП и радиатором изоляционные прокладки.

Пример крепления ППП через изоляционную прокладку показан на рис. 15.16.

Следует иметь в виду, что любая изоляционная прокладка увеличивает тепловое сопротивление между корпусом ППП и радиатором. Например, прокладка из слюды толщиной 0,025-0,05 мм увеличивает Рт в 1,5 раза. Лучшие результаты дает использование прокладок из бериллиевой керамики.

Если схема и конструкция позволяют, то следует при необходимости изолировать сам радиатор от шасси изделия, а ППП - крепить к радиатору без изоляционных прокладок.

Тепловое сопротивление радиатора Rzr зависит не только от конфигурации (штыревой, пластина и т. п.) и размеров, но и от конструктивного исполнения.

Имеют минимальное тепловое сопротивление, т. е. наиболее эффективно отводят теплоту от корпуса ППП, радиаторы, выполненные из материала с хорошей теплопроводностью и имеющие монолитную конструкцию. Поэтому обычно радиаторы делают методом литья из алюминиевых, магниевых и других сплавов. Чтобы тепловая энергия, отдаваемая радиатором в окружающее пространство, не ухудшала условия работы других ЭРЭ, радиаторы стараются размещать вне объема корпуса, на его наружной стенке.

Термостатировавне. В ряде случаев при конструировании аппаратуры требуется получить такую стабильность параметров при изменении температуры, которую невозможно осуществить при современном уровне раз-

У /Л .л

Рис. 15.16. Крепление мощного полупроводникового диода: / - ДИОД; 2 - изоляционная шайба из слюды; 3 - центрирующая изоляционная втулка; 4 - контактный лепесток

13, 12-

ВИТИЯ техники радиодеталей. В этом случае части конструкции, определяющие стабильность параметров всего аппарата, помещают в термостат, где поддерживают определенную, заданную температуру. Принцип устройства такого термостата показан на рис. 15.17. Внутри рабочей камеры находятся тер-мостатируемые детали и датчик температуры. Датчиком температуры является биметаллическая пластина с контактом, которая изгибается при изменении температуры окружающей среды. Биметаллическая пластина отрегулирована так, что контакты 12 и 13 разомкнуты, когда температура внутри рабочей камеры равна выбранному значению to или больше его. Если температура внутри камеры меньше to, то контакты 12 и 13 замкнуты. В этом случае через специальное реле включается подогревающее устройство, которое нагревает рабочую камеру до температуры to, после чего контакты размыкаются. Таким образом осуществляется управление температурой внутри термостата.

Рабочая камера должна иметь хорошую тепловую изоляцию от окружающей среды. В примере, показанном на рис. 15.17, для термоизоляции служит сосуд Дюара. В качестве подогревающего устройства можно использовать проволоку из высокоомного сплава, например из нихрома. Термостат такой конструкции может поддерживать требуемую температуру с точностью ±(1-2)°С.

В рассмотренном примере температуру f, внутри термоса приходится выбирать выше максимальной температуры, которая может быть внутри аппарата при любых условиях эксплуатации. Например, если аппарат будет эксплуатироваться при температуре до 60°С, а за счет собственного нагрева температура внутри кожуха может достигать 70°С, то температуру внутри термостата нужно выбрать не менее 70 °С. Наличие такой высокой температуры является основным недостатком термостатов с подогревными устройствами, так как термостатируемые детали все время работают при повышенной температуре, что снижает их надежность. Кроме того, постоянно нагретый термостат повышает температуру нагрева аппарата, в котором он установлен.

От этого недостатка свободны термостаты, в которых заданная тем-

Рис. 15.17. Конструкция термостата; . о - термостат; б - биметаллический датчик температуры (находится внутри рабочей камеры); 1 - крышка; 2 - корпус; 3 - рабочая камера; 4 - центрирующие кольца; 5 -сосуд Дюара; б - внутренний стакан; 7 - наружный стакан; 8 - обмотка подогревателя; 9 - биметаллическая пластина; 10 - неподвижная пластина; - регулировочный ВИНТ; 12. 13 - контакты

пература поддерживается с помощью полупроводниковых термобатарей. Такие батареи обладают способностью вьщелять теплоту, когда через них пропускают ток в одном направлении, и поглощать теплоту, когда ток пропускают в противоположном направлении. С помощью полупроводниковых батарей в термостате можно поддерживать температуру, которая может быть ниже температуры окружающей среды.

В качестве термочувствительных элементов часто используют не биметаллические пластины, а терморезисторы, которые меняют свое сопротивление при изменении температуры окружающего воздуха.

В ряде случаев, например при конструировании высокостабильных кварцевых генераторов, требуется поддерживать определенную температуру внутри рабочего объема с точностью до 0,01-0,001 °С при изменении температуры окружающей среды от -60 до -ь70°С. В этом случае делают двойной термостат. Внутри первого ( грубого ) термостата поддерживают температуру с точностью (0,5-ь2)°С, при этом внутри второго термостата удается поддерживать температуру с высокой точностью.

§ 15.3. ВЛАГОЗАЩИТА АППАРАТУРЫ

Многие категории радиоэлектронной аппаратуры в процессе эксплуатацрш могут оказываться в условиях, при которых относительная влажность воздуха достигает 98%.

Если при конструировании аппаратуры не предприняты специальные меры, то воздействие повыщенной влажности будет сильно влиять..на параметры изделия или даже приводить к полному выходу его изстрря.

Влагоустойчивость изделия обеспечивают главным образом за счет применения влагоустойчивых ЭРЭ и элементов конструкции.

Для многих элементов радиоэлектронной аппаратуры (полупроводниковых приборов, микросхем, многих конденсаторов и др.) защита от влаги может достигаться только полной герметизацией, путем помещения в запаянный или заваренный корпус или покрытием их толстым слоем специальных влагозащитных материалов. В процессе производства некоторых типов ЭРЭ до установки в герметичный корпус их приходится хранить в специальных условиях, исключающих воздействие влаги. В силу перечисленных причин почти все ЭРЭ имеют индивидуальные средства защиты от влаги.

Эффективная защита от влаги непосредственно самого изделия, как правило, приводит к тому, что защищаемое изделие становится неремонтопригодным. Так как большинство ЭРЭ в процессе эксплуаташш все равно не ремонтируют (в случае выхода из строя их заменяют новыми), то защита от влаги отдельных ЭЮ не ухудшает ремонтопригодность радиоэлектронной аппаратуры. Таким образом, основные усилия разработчика должны быть направлены на правильный выбор ЭЮ и защиту от влаги элементов конструкции, механизмов, деталей из изоляционных материалов и др.

Для обеспечения влагоустойчивости металлических деталей их подвергают покрытию или изготавливают из коррозионно-устойчивых материалов (например, из нержавеющей стали). Вопросы выбора покрытий были рассмотрены в гл. 4.