K003928 Дипломная работа Изучение свойств защитных акриловых смол и токопроводящих лаков

Изучение свойств защитных акриловых смол и токопроводящих лаков.

1. Теория теплообмена.

При наличии разницы температур в теле в нем происходит процесс выравнивания температур из-за потока тепла от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой[1].

По аналогичной причине происходит выравнивание температур двух тел, имеющих разные температуры и находящихся в непосредственном соприкосновении или разделенных друг от друга какой-либо средой (газом, жидкостью и др.). Процесс переноса тепла называется теплообменом, или теплопередачей. Различают три способа теплообмена: 1) теплопроводность, 2) конвекцию, 3) излучение.

Теплопроводностью называют явление переноса тепловой энергии непосредственно от одной части тела к другой (в чистом виде явление теплопроводности имеет место в твердых телах).

Конвекцией называют явление переноса тепловой энергии путем перемещения частиц жидкости или газа; явление конвекции всегда сопровождается явлением теплопроводности.

Различают естественную (свободную) конвекцию, когда движение частиц окружающей среды у нагретой поверхности обусловлено разностью плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа, и вынужденную конвекцию, когда движение частиц окружающей среды происходит в результате действия вентилятора, насоса или ветра, в аппаратуре для обеспечения требований надежности не применяют принудительную конвекцию

Отдача тепла конвекцией в значительной мере зависит от физических свойств среды (теплопроводности, вязкости, теплоемкости, плотности), от геометрической формы тела и расположения его в пространстве, от скорости движения частиц окружающей среды около нагретой поверхности и от степени шероховатости поверхности, чтобы увеличить излучающие способности поверхности тела – нужно увеличить её шероховатость, чем больше шероховатость, тем больше поверхность излучения. Далее, поскольку физические свойства среды зависят от температуры, то и отдача тепла конвекцией будет зависеть от температуры среды и превышения температуры нагретой поверхности относительно среды.

Тепловым излучением (лучеиспусканием) называют явление переноса тепловой энергии электромагнитными волнами. Теплообмен излучением между нагретыми поверхностями зависит от температуры поверхностей, от размеров, геометрии, обработки и их взаимного расположения, от физических свойств материала.

Наружная поверхность нагретого тела излучает значительное количество тепла на окружающие поверхности, имеющие меньшую температуру, чем поверхность нагретого тела, при этом предполагается, что газовая среда, например, воздух, разделяющая поверхность нагретого тела от поверхностей, воспринимающих тепловые лучи, полностью прозрачна для последних.

При расчетах часто предполагается, что температура окружающего воздуха практически равна температуре поверхностей, воспринимающих тепловое излучение нагретой поверхности.

Жидкости и твердые тела практически не пропускают тепловых лучей, следовательно, в жидких средах имеет место только конвективный теплообмен. Следует подчеркнуть, что физическая природа всех трех способов передачи тепла совершенно различна.

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения.

Электромагнитное излучение тела, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, называют тепловым (температурным) излучением. Иногда под тепловым излучением понимают не только равновесное, но также и неравновесное излучение тел, обусловленное их нагреванием.

Такое равновесное излучение осуществляется, например, если излучающее тело находится внутри замкнутой полости с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре тела.

В теплоизолированной системе тел, находящихся при одной и той же температуре, теплообмен между телами путем испускания и поглощения теплового излучения не может привести к нарушению термодинамического равновесия системы, так как это противоречило бы, второму началу термодинамики.

Поэтому для теплового излучения тел должно выполняться правило Прево: если два тела при одной и той же температуре поглощают разные количества энергии, то и их тепловое излучение при этой температуре должно быть различным.

Лучеиспускательной (излучательной) способностью или спектральной плотностью энергетической светимости тела называют величину Е,т, численно равную поверхностной плотности мощности теплового излучения тела и интервале частот единичной ширины:

где dW - энергии теплового излучения с единицы площади поверхности тела за единицу времени в интервале частот от v до v + dr.

Лучеиспускательная способность Е,т, является спектральной характеристикой теплового излучения тела. Она зависит от частоты v, абсолютной температуры Т тела, а также от его материала, формы и состояния поверхности. В системе СИ Е,т, измеряется в дж/м2.

Поглощательной способностью или монохроматическим коэффициентом поглощения тела называют величину А,т, показывающую, какая доля энергии dWпад, доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от v до v+dv, поглощается телом:

А,т - величина безразмерная. Она зависит, помимо частоты излучения и температуры тела, от его материала, формы и состояния поверхности.

Тело называется абсолютно черным, если оно при любой температуре полностью поглощает все падающие на него электромагнитные полны: А,т черн = 1.

Реальные тела не являются абсолютно черными, однако некоторые из них по оптическим свойствам близки к абсолютно черному телу (сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого света имеют А,т, мало отличающиеся от единицы)

Тело называют серым , если его поглощательная способность одинакова для всех частот  и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела

Между лучеиспускательной Е,т и поглощательной А,т способностями любого непрозрачного тела существует соотношение (закон Киргофа в дифференциальной форме):

Для произвольной частоты и температуры отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно лучеиспускательной способности, ,т абсолютно черного тела, являющейся функцией только частоты и температуры (функция Кирхгофа Е,т = А,т,т = 0).

Интегральная излучательная способность (энергетическая светимость) тела:

представляет собой поверхностную плотность мощности теплового излучения тела, т.е. энергию излучения всех возможных частот, испускаемого с единицы поверхности тела за единицу времени.

Интегральная излучательная способность Т абсолютно черного тела:

2.Тепловой режим.

Под тепловым режимом радиоэлектронного блока понимают пространственно- временное распределение температуры в нём. Тепловой режим зависит от количества рассеиваемой мощности в блоке и считается нормальным, если температуры всех элементов конструкций блока в заданных условиях эксплуатации не превышает предельно-допустимых по ТУ[2].

Известно, что, как правило, большая часть всей потребляемой радиоаппаратом мощности рассеивается в виде тепла в нём, что может создать опасные перегревы термочувствительных элементов (бескорпусных транзисторов, диодных матриц, ферритовых сердечников и т.п).

Передача тепловой энергии, рассеиваемой в блоке, осуществляется известными тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью. Причем для аппаратуры, работающей в условиях космоса, основными видами передачи тепла являются теплопроводность и излучения. Теплопередача осуществляется от ИС к их основаниям (рамкам, печатным платам), от них тепло передается корпусу и далее в окружающее пространство. Передача тепла с помощью конвекции подчиняется законам Ньютона:

Р1 = кS

где Р1- количество тепла, переносимого газом или жидкостью в единицу времени от одной поверхности блока к другой или в окружающую среду, Вт;

к- коэффициент конвекции, Вт/м20С;

S- площадь поверхности теплоотдачи, м2;

- величина перегрева поверхностей относительно друг друга или относительно окружающей среды, 0С.

Конвекция бывает естественной и принудительной. В условиях естественной конвекции происходит передача тепла от корпуса блока в окружающую среду. Для этого случая величина к может достигать порядка 4 Вт/м20С. Однако в ряде случаев такой вид передачи не удовлетворяет требованиям нормального теплового режима блока, и тогда применяют принудительное воздушное охлаждение за счет обдува корпуса специальными воздуходувками. Это резко изменяет режим теплоотдачи и увеличивает коэффициент конвекции в несколько десятков раз. Следует иметь в виду, что применение воздуходувок является целесообразным лишь при наличии нормальной или близкой к ней плотности воздуха. В условиях же разряженного пространства их применение бесполезно. В связи с этим рекомендуется применение систем жидкостного охлаждения, эффективность которого по сравнению с воздушным возрастает в 2-4 раза. В зависимости от способа переноса тепла жидкостью различают собственно жидкостные системы охлаждения и системы, использующие принцип переноса тепла за счет испарения и конденсации жидкости. Один из вариантов первого способа представляет собой металлические напаянные трубки, расположенные в основании блока или между ячейками, в которые протекает охлаждающая жидкость (этиловый или метиловый спирт, вода). Система охлаждения, построенная на принципе испарения жидкости фреона, представляет собой «тепловую трубу», один торец которой контактирует с «горячим» блоком, а другой выводится за блок и охлаждается. У горячего торца жидкость испаряется и под давлением и компрессора поступает к холодному торцу, где конденсируется. Далее по капиллярам «тепловой трубы» она вновь возвращается к горячему торцу, т.е. система имеет замкнутый цикл.

Применение систем принудительного охлаждения может увеличить коэффициент конвекции на несколько порядков, однако это вызывает значительное увеличение веса и объёма МЭА, поэтому в каждом конкретном случае необходимо выявить возможности их применения.

В принципе увеличение теплоотдачи конвекцией может быть достигнуто путём увеличения поверхности блока МЭА либо увеличением температурного перегрева. Однако первое противоречит идее микроминитюаризации, а второе ограниченно температурой окружающей среды.

В целом возможности повышения теплоотвода конвекцией в МЭА существенно ограничены.

Количество тепла, отводимого от блока с помощью излучения (лучеиспускания), может быть рассчитано по формуле:

P2 = кS

где P2- количество тепла, переносимого электромагнитными волнами в единицу времени, от одной поверхности к другой или в окружающую среду, Вт;

S- поверхность теплоотдачи, м2;

- температурный перегрев 0С;

к- коэффициент лучеиспускания, Вт/м2 0С;

Коэффициент лучеиспускания определяется как:

αк = Εпр*φ*ƒ(t1, t2),

где Eпр- приведенная степень черноты поверхности (принимаемая в МЭА равной 0,8);

φ- коэффициент облучённости (принимаемый равным 1);

ƒ(t1, t2)- значение функции, определяемое по таблице в зависимости от температур изотермических поверхностей тел или среды;

Передача тепла с помощью теплопроводности (кондукции) подчинена обобщённому закону Фурье:

P3 = λЅ1/ℓ,

где P3 – количество тепла, передаваемого кондукцией в единицу времени от одной изотермической поверхности сопрягаемых тел к другой, Вт;

λ – коэффициент теплопроводности тела, определяемый по таблицам физических констант материала, Вт/м 0С;

ℓ* S* V– длина пути теплового потока, м;

S1- площадь поперечного сечения теплового потока, м2.

Особенности тепловых режимов блоков МЭА заключаются в следующем:

в блоках МЭА допустима более высокая удельная мощность рассеивания нежели в блоках РЭА первых “поколений”,основным видом передачи тепла внутри блоков МЭА является теплопроводность.

Наиболее критичными к локальным перегревам в блоках МЭА являются бескорпусные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, ИС1).

Первая особенность обусловлена уменьшением линейных размером блоков. Допустим, что блок РЭА имеет условную форму куба со стороной L. Тогда, объем его равен L3, а площадь теплоотдачи 6L3. Величина рассеиваемой мощности выразится как:

P = k*S*,

где k – суммарный коэффициент теплопередачи блока за счёт конвекции и излучения во внешнюю среду, S = 6L2.

С другой стороны, эта же мощность может быть представлена, как

P = Pуд*V,

где Руд – удельная мощность рассеивания в блоке, V = L3.

Решая эти два выражения совместно, можно определить, что Руд = 6k*V/L. Откуда видно, что с уменьшением габаритов блока, его удельная мощность возрастает. По этой причине для МЭА допускаются значения удельной мощности порядка 15…20 Вт/дм3 вместо 3… 5 Вт/дм3 для блоков РЭА на дискретных элементах.

Вторая особенность определяется тем фактором, что блоки МЭА имеют высокий коэффициент заполнения объёма и весьма малые внутренние газовые каналы передачи тепла. Поскольку материалы конструкции (алюминиевые, магниевые сплавы, ситалл, поликор и т. п.) имеют высокую либо среднюю теплопроводность и весьма низкое значение относительно степени черноты (порядка сотых –десятых долей единицы), то возможности передачи тепла с помощью кондукции гораздо значительнее, чем с помощью излучения.

Третья особенность вытекает из того факта, что пассивные элементы ГИС, выполненные в тонкопленочном варианте, достаточно термостойки и стабильны (ТК≈3*10-4), а активные бескорпусные элементы практически не защищены от перегревов. Кроме этого, они дополнительно в силу необходимости разделены от теплоотводящей подложки слоем клея, имеющего низкую теплопроводность (0,2Вт/м 0С)

В связи с изложенным рекомендуют при разработке МЭА выбирать объем отдельных её блоков не более 0,5…0,6 дм3, а в случае перегревов, превышающих допустимые, делать оребрение корпусов при внешнем обдуве.

Наибольшей теплопроводностью, как известно, обладают металлы, малой – твёрдые диэлектрики и совсем незначительные – газы[3]. Передача тепла теплопроводностью металлов является основным видом теплоотдачи в МЭА. Кроме этого, при компоновке блоков и ячеек источники тепла (бескорпусные ИС, транзисторы и другие радиоэлементы) располагают на металлических рамках, а теплоотвод от последних осуществляют к основанию или крышке корпуса с помощью стяжных болтов. Для увеличения теплоотдачи применяют материалы с коэффициентом теплопроводности порядка 100…200Вт/м 0С (алюминиевые сплавы, латунь и т.п.). Одним из способов повышения кондуктивной теплоотдачи является метод термоэлектрического охлаждения, основанного на эффекте Пельтье. Конструктивно это осуществляется подбором столбиков термоэлементов между нагретыми ячейками и корпусом блока. Другим способом защиты бескорпусных микросхем от местных перегревов является организация направленного теплоотвода от “горячего” субблока на основание. В этом случае нагретый субблок, например, трансформаторный субблок питания, может быть укреплён дном на бобышках основания и изолирован диэлектриком по остальным 5 сторонам.

При компоновке блоков МЭА с целью обеспечения нормального теплового режима существуют некоторые общие рекомендации, а именно:

-более нагретые ячейки и субблоки следует монтировать ближе к основанию-теплоотводу блока,

-для уменьшения локальных перегревов отдельные термочувствительные узлы необходимо выносить на корпус или в ниши блока, а более мощные ИС и транзисторы следует располагать по периферии ячейки, ближе к рамке,

-блоки питания желательно разбивать на несколько отдельных субблоков (трансформаторных, стабилизаторных и т. п.) для увеличения суммарной поверхности теплоотдачи,

-при наличии внешнего обдува целесообразно оребрение корпусов, причем ребра должны располагаться вдоль потока воздуха.

Расчёт базируется на известном методе электротепловой аналогии, который заключается в том, что перенос тепловой энергии в конструкциях рассматривается аналогично переносу электроэнергии в электрических схемах. При передаче тепла аналогом силы тока является тепловая мощность, аналогом разности напряжении - разность температур (перегрев) и аналогом электропроводности - тепловая проводимость элементов конструкции (б). При этом возможно составление тепловых схем конструкции и их расчет согласно основным правилам и законам электротехники (законам Ома, Кирхгофа, методу суперпозиции и т. п.). Закон Ома для тепловых схем записывается в следующей форме:

Р = б*,

Величины, обратные проводимостям, называются тепловыми сопротивлениями.

Тепловой расчет блока МЭА заключается в определении температуры ti какой-либо i -ой части конструкции (корпуса, ячейки, микросхемы, р-п перехода транзистора, диода и т. п.) в зависимости от заданной мощности источников тепла внутри блока Р, времени τ и известной температуры окружающей среды tС. В общем случае необходимо определить

ti - tc = ƒ1(P, τ).

Эта зависимость называется тепловой характеристикой элемента конструкции. Поскольку наиболее жестким является установившийся (стационарный) тепловой режим блока, когда местные перегревы достигают максимальных значений, и поскольку в блоке возможно применение принудительных систем охлаждения, отводящих мощность Q, то тепловая характеристика преобразуется к виду:

ti - tc= ƒ2(P, Q).

При этом считается, что габариты и объём блока V известны. Рассчитав тепловую характеристику конструкции при заданных V и tc и известных видах теплопередачи, можно варьируя объёмом получить их семейство и полученные зависимости перестроить в зависимости вида (Р, Q) = ƒ3 (V), имеющие практический интерес при конструировании. На рис.1 приведены ориентировочные зависимости допустимой мощности рассеивания блока МЭА при tс=20…60 0С и перегреве корпуса относительно среды 20 0С от объёма корпуса и условий теплопередачи. Корпус блока принят металлическим из алюминиевых сплавов без оребрения. Кривая 1 соответствует случаю излучения и естественной конвекции, кривая 2- излучению и принудительной конвекции воздуха вокруг корпуса (В=0,1м/с), кривая 3- только излучения.

Рисунок 1 -Зависимость допустимой мощности рассеивания блока МЭА от объёма корпуса и условий теплопередачи.

Расчет с помощью тепловых характеристик состоит в том, что вначале задаются перегревом рассматриваемой поверхности на 10-15 0С выше температуры окружающей среды и определяют возможный тепловой поток, который способна она передать в среду при заданных габаритах и формах. При этом определяется одна точка тепловой характеристики. Далее принимают перегрев поверхности, равным еще на 10-15 0С выше первого, и аналогично определяют вторую точку графика. Третьей точкой является начало координат. Используя свойство линейности тепловых характеристик, по трём точкам её строят полностью.

При расчёте тепловых режимов МЭА можно ограничиться двумя вариантами. Первый вариант расчёта, характерный для металлических ячеек, основан на использовании в тепловой модели конструкции способа расчёта температур изотермических поверхностей. Он включает следующие основные этапы:

-расчет среднеповерхностной температуры корпуса,

-составление тепловой схемы блока,

-определение тепловых проводимостей отдельных участков между изотермами,

-определение температур изотермических поверхностей внутри блока и сравнение их с максимально допустимыми.

При этом методе расчёта тепловая схема блока включает тепловые проводимости, обусловленные конвекцией, излучением и теплопроводностью, а сам расчёт проводится согласно законам Ома, Кирхгофа по методу тепловых характеристик.

Второй вариант расчёта, характерный для неметаллических ячеек на печатных платах, основан на использовании метода однородного тела, который подразумевает представление системы тел, включающей несколько неоднородных тел, в виде монолитного теплового тела с постоянными теплофизическими параметрами. Основными этапами расчёта являются:

- определение среднеповерхностной температуры корпуса блока и среднеповерхностной температуры нагретой зоны,

выделение в координатных осях x, y, z элементарной типовой ячейки и составление для неё тепловой схемы в эквивалентных теплопроводностях по тем же осям,

выражение геометрических параметров нагретой зоны по осям x, y, z,

определение температуры i-ого элемента в нагретой зоне и сравнение полученных данных с предельно допустимыми.

Особенностью данного способа является представление пакета ячеек в виде монолитного (без воздушных зазоров) однородного анизотропного тела с различными теплопроводностями по координатным осям. Сам расчет в данном случае проводится путём решения дифференциальных уравнений теплопроводности по закону Фурье.

3. Защита аппаратуры от теплового воздействия.

Охлаждение аппаратуры.

Чаще конструктор решает задачу удаления избытка теплоты в результате саморазогрева аппаратуры. Как известно, передача теплоты от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением[4].

Кондукция -процесс переноса тепловой энергией между находящимися в соприкосновении телами или частями тел за счет теплопроводности тел.

Конвекция — перенос энергии макрочастицами газа или жидкости.

Перенос теплоты излучением происходит за счет превращения тепловой энергии в энергию излучения (лучистая энергия).

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает проблематичным точный расчет температурного поля. Поэтому на практике расчет проводится, как правило, для наиболее эффективного вида теплообмена, который принимается для данного блока, прибора, системы за основной. Для стационарной аппаратуры используются в основном способы охлаждения теплопроводностью, воздушное естественное и принудительное, а также принудительное воздушное с дополнительным охлаждением жидкостью в трубопроводах. При высоких требо¬ваниях к стабильности параметров схем применяют термостатирование узлов и блоков.

Способы охлаждения могут быть охарактеризованы коэффициентом теплоотдачи [Вт/(м2°С)], значения которого для различных систем охлаждения приведены ниже.

Система охлаждения Коэффициент теплоотдачи К, Вт/(м2°С)

Естественная, воздушная, излучением 2-10

Принудительная воздушная 10-150

Естественная жидкостная 200-600

Принудительная жидкостная 300-3000

Испарительная 500-120000

Таблица 1 – характеристика способов охлаждения

Рисунок 2 – способ охлаждения кондукцией

1- стенка прибора, 2- интегральная схема, 3- теплоотвод, 4-печатная плата.

Теплоотвод кондукцией.

С увеличением плотности компоновки РЭА большая доля теплоты уда¬ляется кондукцией, т.е. передачей тепловой энергии от нагретого элемента к элементу с меньшей температурой. Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыделяющих элементов в конструкции применяют тепловые разъемы, теплоотводящие шины, печатные платы на металлической основе и т. д. Количество теплоты Qк (кал/с), передаваемое в статическом режиме кондукцией, опре¬деляется по выражению

Qk = m*tS/l,

где m — коэффициент теплопроводности, кал/(с•см•°С), S - площадь, через которую проходит тепловой поток, см2, l - длина пути передачи теп¬лоты, см, t - разность температур между охлаждаемой конструкцией и окружающей средой, °С.

Для увеличения эффективности теплообмена путем теплопроводности необходимо увеличивать площадь теплопроводящей поверхности, уменьшать путь передачи теплоты, использовать материалы с высокой теплопроводностью.

Рисунок 3 – Воздушный теплоотвод.

Теплоотвод конвекцией.

Естественное и принудительное воздушное охлаждение наиболее просты и доступны. Теплота от нагретых корпусов радиоэлементов передается окружающей атмосфере за счет естественной конвекции. Эффективность естественного воздушного охлаждения тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса. Имеет также значение плотность окружающей среды, при уменьшении которой отвод теплоты от поверхности элементов уменьшается.

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздух, нагреваясь от выделяющих теплоту элементов и обладая вследствие этого меньшей плотностью, перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена зависит от места расположения элементов в объеме аппаратуры. Так, при вертикальном расположении модулей (плат) воздушному потоку ничего не препятствует и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей степени. В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит.

Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности, выделяемой аппаратурой во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности. Улучшение охлаждения можно получить искусственным увеличением площади поверхности корпуса, например, введением специальных ребер — радиаторов[5].

Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпусов аппаратуры. В этом случае в приборы поступают извне холодные слои воздуха, которые вытесняют теплые слои через отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия следует предусматривать и в боковых стенках корпусов в виде жалюзи. Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при¬бора должна составлять 20...30 % сечения конвективных потоков воздуха. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже. Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по¬токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор 20-30 мм. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками.

Естественное охлаждение используется с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см2. При этом необходимо стремиться к равномерному распреде¬лению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты в нижней части и защищать тепловыми экранами. Блестящий экран сокращает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры внутри аппаратуры теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты, внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются черными красками или лаками. При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования «ло¬вушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздуш¬ным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия. Количество теплоты, удаляемой от поверхности S естественной кон¬векцией, Вт:

Q = 4.18•10-4hcSt,

где S — площадь поверхности, см2, t - перегрев, °С, hc - коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из hc = 0,52С(55t/l)0.25, С - постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С = 0.56,для верхней горизонтальной плоскости С = 0.52,для нижней горизонтальной плоскости С = 0,26), l - длина пути теплового по¬тока.

Ориентация поверхности Длина

Вертикальная плоская

Вертикальная плоская непрямоугольная

Горизонтальная плоская Наибольший размер по вертикали, но не более 50 см

Отношение площади к наибольшему горизонтальному размеру

Отношение удвоенного произведе¬ния длины на ширину к сумме длины и ширины

Таблица 2 – Габариты поверхностей.

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. При отвесном падении солнеч¬ных лучей на прибор имеет место превышение температуры металлических поверхно¬стей (в градусах Цельсия): без покрытия - 24; окрашенных в белый цвет - 13; серый - 21; черный - 27.

Принудительное воздушное охлаждение.

При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод от внутренних полостей корпуса РЭА осуществляется движущимися потоками воздуха, объем и скорость движения которых определяются вентиляторами. Оно широко используется в аппаратуре с тепловыделением не более 0,5 Вт/см2 и выполняется по схемам подачи воздуха снизу-вверх и сверху вниз. Забор воздуха снизу, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности аппаратуры, охлаждение сверху вниз - к меньшей запыленности, но требует большего расхо¬да воздуха.

Чем ниже температура охлаждающего воздуха и выше скорость его движения, тем эффективнее принудительное воздушное охлаждение. Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. В приточно-вытяжной используются два вентилятора на входе и выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора по приточной схеме вентиляции происходит в благоприятных условиях при пониженной температуре, что обеспечивает большую производительность. Вытяжную схему вентиляции можно рекомендовать в аппаратуре с большими аэродинамическими сопротивле¬ниями.

Вентиляторы устанавливаются либо непо¬средственно в прибор, либо в специальные блоки с креплением на корпусе прибора или каркасе стойки. В блоках обычно размещают вентиляторы, противопыльный фильтр, элементы сигнализации и аварийного отключения.

Появление шума и вибраций в результате работы вентиляторов являются недостатками принудительного охлаждения, однако реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

Количество теплоты Q ккал, получаемое воздухом массой m при уве¬личении его температуры на величину t, равно:

Q = c*m*t,

где с - удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг•°С).

Расход воздуха для охлаждения, м3/час:

Vp = 860 kP/с,

где k - коэффициент (обычно 1,25), учитывающий утечку охлаждающего воздуха через неплотности в конструкции; Р - потребляемая мощность, кВт; р — плотность воздуха (при 0°С и нормальном атмосферном давлении= 1,293кг/м3).

Мощность, рассеиваемая в виде теплоты, принимается равной по¬требляемой аппаратурой электрической мощности. При полном переходе элек¬трической энергии в тепловую справедливо соотношение 1 кВт/ч = 860 ккал.

Системы охлаждения с жидкими хладагентами применяют только для достаточно больших измерительно-вычислительных систем.

Выбор способа охлаждения.

При выборе способа охлаждения РЭА учитываются ее режим работы, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, объект ус¬тановки, окружающая среда.

Режим работы аппаратуры характеризуется длительностями включенно¬го и выключенного состояний и бывает длительным, кратковременным, кратковременно-повторным. Длительный режим свойственен стационар¬ной аппаратуре, которая находится во включенном состоянии в продолже¬ние многих часов и дней, кратковременный - бортовой, время непрерывной работы которой исчисляется несколькими часами.

При проектировании сложной аппаратуры с длительным временем включенного состояния, как правило, возникнет необходимость в разработке принудительной системы охлаждения (СО)[6]. Решение о разработке СО для аппаратуры кратковременно-повторного режима работы принимается лишь после ана¬лиза режима работы аппаратуры. Переносная РЭА в силу малых рассеиваемых мощностей принудитель¬ной СО не снабжается.

Необходимость разработки СО выявляет тепловой анализ РЭА. Для этого по каждому модулю первого уровня состав¬ляется перечень тепловыделяющих компонентов, устанавливаются рассеи¬ваемые мощности и максимально допустимые температуры. На основе этих данных выделяются критичные к перегреву компоненты, а также компонен-ты, устанавливаемые на теплоотводы. Далее рассчитываются удельные по¬верхностные и объемные тепловые потоки модулей высших уровней. По значениям плотности теплового потока qs и qv в первом приближении выбирают систему охлаж¬дения по допустимому перегреву в 40°С.

4. Абсолютно черное тело.

История изучения вопроса

Классическая физика не смогла получить разумную формулу для спектральной плотности (эта формула легко проверяется: абсолютно чёрное тело – печь, ставят спектрометр, излучение в спектр разворачивается, и для каждой полоски спектра можно найти энергию в этом интервале длин волн). Классическая физика не смогла не только дать правильное значение функции, она не смогла дать даже разумное значение, а именно, получалось, что эта функция растёт с убыванием длины волны, а это просто бессмысленно, это означает, что любое тело в видимой области излучает, а в низких частотах ещё больше, и полная энергия излучения стремится к бесконечности. Значит, в природе есть явления, которые невозможно описать законами классической физике.

В конце XIX века выявилась несостоятельность попыток создать теорию излучения черного тела на основе законов классической физики. Из законов классической физики следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и понижать температуру до абсолютного нуля. Иными словами тепловое равновесие между веществом и излучением было невозможно. Но это находилось в противоречии с повседневным опытом.