Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 2, 2004 г.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

 

Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов А.В.

(ФГУП «НИИ точных приборов»)

 

Работая в области радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), убеждаешься, что конструкция бывает наиболее удачной, если в самом начале разработки конструктор активно сотрудничает с создателями электрической схемы аппаратуры.

При этом всегда учитывается опыт предыдущих разработок, составляющих школу профессионального мастерства. Как правило, имеется преемственность в создании любых функциональных систем. И даже самые новые технологии и конструкции появляются после учета имеющихся недостатков в традиционных конструкциях. Смысл этого заключается в том, что опытный конструктор, когда подразумеваем, что последний представляет и теплофизические процессы, которые будут происходить в новой аппаратуре, а также ее конструкцию-носитель элементов электрической схемы, обладает навыками прогнозирования способов установки и крепления электрорадиоизделий (ЭРИ) на платах, металлических основаниях, силовой части конструкции, зная которые, можно составить более достоверную тепловую модель будущей аппаратуры. Другими словами, конструктор параллельно с разработчиком электрической схемы может приступить к оценке массогабаритных характеристик сначала составных частей, а затем, сложив эти части, и аппаратуры в целом с учетом такого важного фактора, как обеспечение требуемого теплового режима всех входящих в электрическую схему покупных ЭРИ.

Одной из главных целей настоящей работы является поиск путей сокращения сроков разработки бортовой аппаратуры посредством проведения теплового анализа электрических схем на этапах технических предложений и эскизного проектирования, когда конструкция аппаратуры еще не приобрела свои реальные размеры и форму. Уже на этих этапах необходимо прогнозировать перегревы как наиболее теплонапряженных, так и других ЭРИ. Это позволит своевременно выбрать схему построения системы обеспечения теплового режима (СОТР) разрабатываемой аппаратуры в целом и заранее с учетом других важных факторов определить размеры и массу конструкции, в соответствии с техническим заданием (ТЗ).

Такой подход к созданию аппаратуры соответствует принятому порядку выполнения опытно-конструкторских работ, однако во многом не отвечает построению блочно-иерархического принципа поэтапного моделирования, предписывающего рассматривать тепловой режим аппаратуры с постепенно нарастающей степенью детализации от самых крупных тел (комплексов, блоков и т.д.) до отдельных элементов электрических схем [1, с.30-33].

Такая идеология как бы вынуждает не проводить более детального анализа теплового режима, пока не закончен предыдущий этап разработки, что явно снижает инициативу и увеличивает сроки разработки аппаратуры, подталкивает теплофизиков проводить пассивную техническую политику. Это видно на примере эскизного проектирования, когда электрическая схема будущей аппаратуры уже приобретает реальный вид, и необходимо проводить ее тепловой анализ, хотя масса и размеры будущей аппаратуры еще не определены, а станут известны только после синтеза всех составных частей (узлов) электрической схемы аппаратуры, которые складываются сначала из ЭРИ с традиционными или новыми элементами крепления и установки, в том числе и на теплоотводы и силовые части конструкции. Поэтому здесь на первый план выходят детальные расчеты электрической схемы, так как наиболее тепловыделяющие ЭРИ и уровень трансформации плотностей тепловых потоков и относительных перегревов будут определять необходимые уровни интенсивности теплообмена ЭРИ с остальными частями конструкции и конечном счете скажутся на выборе рациональной системы обеспечения теплового режима аппаратуры. При этом все эти вопросы должны решаться внутри этапов технических предложений и эскизного проектирования. На последующих этапах будут только исправляться допущенные ошибки, и совершенствоваться те принципы, которые были реализованы на ранних стадиях разработки. Что касается расчетов более крупных тел – разрабатываемой аппаратуры в целом, то они осуществляются параллельно по мере поступления уточненных исходных данных, позволяющих проводить новые расчеты, связанные с синтезом или детализацией.

Объектом исследований в предлагаемой работе является бортовая радиоэлектронная аппаратура (РЭА), размещаемая в составе изделий ракетно-космической техники. Специфика конструирования такой РЭА имеет свои отличия от других типов аппаратуры. Во-первых, ограничено применение активных СОТР, во-вторых, приходится обеспечивать работоспособность РЭА в жестких условиях эксплуатации, которые имеются на борту летательного аппарата, в-третьих, наиболее рационально обеспечивать соответствующий тепловой режим на борту пассивными средствами, максимально приспособленными к имеющимся на борту СОТР и т.д. Могут быть и такие условия эксплуатации, когда тепловой режим РЭА должен обеспечиваться практически только своими средствами. Кроме того, на космических аппаратах (КА) использование конвективного теплообмена нежелательно из-за дополнительных затрат энергии и массы СОТР. При размещении РЭА в негерметичных отсеках КА выгодно чтобы аппаратура могла отводить рассеиваемую мощность только излучением с наружных поверхностей. При наличии в составе КА охлаждаемых плит, конструкция РЭА должна быть построена так, чтобы практически всю рассеиваемую мощность можно было передать в основном за счет кондукции на эти плиты. Поэтому внутри РЭА организация хороших кондуктивных связей от ЭРИ к стокам тепла является главнейшей задачей. Если они недостаточны, то из пассивных средств отвода тепла от источников энергии к стокам могут быть эффективными тепловые трубы (ТТ) и тепловые аккумуляторы (ТА).

Исходя из этих соображений, можно сформулировать следующий порядок теплового проектирования, который целесообразно соблюдать на самых ранних этапах разработки аппаратуры. Эти этапы включают время от технических предложений до выпуска эскизного проекта, которые заканчиваются разработкой в основном электрических схем аппаратуры и ее составных частей и техническим заданием на разработку конструкторской документации.

Предлагаемый порядок теплового конструирования на ранних этапах разработки РЭА:

- составление перечня наиболее мощных термочувствительных ЭРИ, входящих в разрабатываемую электрическую схему, в который должны войти все известные теплотехнические параметры, рассеиваемая ими мощность, размеры ЭРИ и площади посадочных поверхностей, масса, время работы и паузы между включениями;

- разработка элементарных тепловых моделей (схем) конструктивных узлов для каждого ЭРИ до некоторого известного стока тепла исходя из типовых способов их установки и крепления на платах, теплоотводах или элементах силовой конструкции;

- расчеты теплового режима всех ЭРИ, перечисленных в перечне, предварительно задавшись или определив фоновую температуру окружающей среды или температуру стока тепла в месте контакта с термостатируемой поверхностью, если она задана в условиях эксплуатации аппаратуры;

- по результатам расчетов определяют узлы с ЭРИ с недопустимыми перегревами и вводят, если это возможно, дополнительные стоки тепла для их снижения, а затем уточняют предыдущие расчеты;

- по результатам последних расчетов составляют объемную картину местных перегревов в аппаратуре и намечают направления движения тепловых потоков от наиболее перегретых узлов (зон) к более эффективным стокам конструкции аппаратуры;

- если этих конструктивных мероприятий недостаточно, то для локальных недопустимо перегретых зон с ЭРИ прорабатывают узлы с дополнительными стоками тепла, например, со стоками на силовую конструкцию аппаратуры, тепловыми трубами или тепловыми аккумуляторами;

- если в аппаратуре имеются специфические ЭРИ, требующие обеспечения по ТУ своего способа охлаждения (например, мощные клистроны или лампы бегущей волны), то обеспечение их теплового режима осуществляется с использованием СОТР самого изделия, в состав которого входит аппаратура;

- в процессе проведения тепловых расчетов отдельных узлов с ЭРИ составляется общая тепловая модель разрабатываемой аппаратуры с учетом ее теплового взаимодействия с отсеком, например, КА, составляются ее математическое описание и уточняются исходные данные с учетом взаимного теплопереноса между узлами и зонами с ЭРИ и силовой конструкции аппаратуры вплоть до стоков тепла в окружающею среду КА или кондуктивный теплоперенос на посадочную поверхность и к узлам крепления к ней;

- по результатам анализа проведенных тепловых расчетов выбирается схема построения СОТР РЭА и составляется техническое задание на тепловое конструирование аппаратуры одновременно с техническим заданием на разработку конструкторской документации в целом.

При этом техническое задание на тепловое конструирование должно являться составной частью всего технического задания на разработку аппаратуры, согласовываться с разработчиками электрических схем и утверждаться главным конструктором.

Проведем некоторый анализ предлагаемого порядка разработки аппаратуры на этих ранних этапах проектирования.

На этапе разработки эскизного проекта разрабатываются электрические схемы отдельных блоков и устройств аппаратуры, и составляется перечень ЭРИ, который будет использоваться в новой аппаратуре. Становятся известными электрические параметры и конструкции самих ЭРИ, рассеиваемая мощность, способ крепления и установки на другие элементы конструкции составной части аппаратуры. И здесь уже явно не соблюдается блочно-иерархический подход к тепловому конструированию, так как на этом этапе вынуждены в одно и тоже время проводить расчеты как укрупненных составных частей аппаратуры, так и детальные тепловые расчеты. При этом в основном по результатам расчетов отдельных частей электрических схем с конкретными ЭРИ определяют необходимую степень интенсификации процессов теплопереноса от ЭРИ к основным стокам тепла рассеиваемого узла к силовым элементам конструкций отдельных устройств и аппаратуры в целом.

При таком подходе к конструированию главную роль при решении задач прогнозирования теплового режима играет принцип местного влияния, пользуясь которым на этапе создания электрических схем, можно значительно сократить время и средства, отпущенные на разработку аппаратуры. Как известно, в наиболее простой форме принцип местного влияния выражается следующим образом: любое местное возмущение температурного поля является локальным и не распределяется на отдельные участки поля [1]. Этот принцип используется при расчетах теплового режима, и подтвердил свою эффективность.

При рассмотрении электрической схемы с точки зрения обеспечения теплового режима каждого ее ЭРИ удобно, используя принцип местного влияния, представить тепловой баланс любого покупного ЭРИ автономно, задавшись или рассчитав условную (фоновую) температуру некоторой окружающей среды, величина которой необходима для учета теплообмена известного для рассматриваемого ЭРИ стока (теплоотвода) с внешней по отношению к последнему фоновой средой. Вместо фоновой температуры это может быть заданная температура твердого тела с заданной по техническому заданию температурой (например, охлаждаемая плата, на которой устанавливается разрабатываемая аппаратура, или устройство местного охлаждения для рассматриваемого узла с ЭРИ – тепловой аккумулятор с фазопереходным рабочим веществом и т.д.).

Ниже покажем один из возможных методов сопровождения теплового конструирования аппаратуры на начальных этапах теплового конструирования. Здесь пригодны и многие другие методы расчета, но целесообразнее воспользоваться созданными самими авторами. При этом акцент делается на аппаратуру, работающую в циклических режимах включения, когда расчеты температурного состояния ЭРИ усложнены.

Пусть из общей электрической схемы устройства выделена ее часть, представляющая некоторый конструктивный узел (блок), который можно представить на данном этапе разработки. В его состав может входить одно или несколько ЭРИ, которые через ряд конструктивных связей заканчиваются стоком тепла, на границах которого можно задать некоторую условную температуру окружающей среды и интенсивность теплообмена на его границах. И здесь можно предположить, что перенос тепла от его источника (ЭРИ) к основному стоку происходит в одном направлении, а в двух других направлениях (y и z) во всех составных телах отсутствует, т.е. рассматриваем поле температур в одномерной модели узла с ЭРИ.

Теплоперенос в такой системе может происходить от ЭРИ через теплопроводный компаунд к печатным платам и через них к металлическим рамкам, а затем к металлическому корпусу или другим конструктивным элементам. Расчет таких систем можно свести к решению краевой задачи, системы сосредоточенных тел или приближенных аналитических решений. Для этого можно воспользоваться классическими решениями задач теплообмена в радиоэлектронной технике. Здесь важно создать тепловую модель теплопереноса, пусть грубую, но позволяющую отразить основные теплофизические процессы, происходящие в рассматриваемом узле с ЭРИ, если не сквозные, то заканчивающиеся на границе системы тел условиями теплообмена, при которых тепловые балансы отдельных узлов можно сложить и перейти от детализации тепловых режимов к синтезу всех составных частей аппаратуры с тем, чтобы можно было составить тепловой баланс аппаратуры с учетом временного фактора, определить необходимую интенсивность теплообмена отдельных конструктивных узлов электрической схемы с силовой конструкцией разрабатываемой аппаратуры. Пользуясь этими результатами расчета отдельных узлов, можно определить схему построения системы обеспечения теплового режима аппаратуры. На следующих этапах, по-видимому, при конструировании можно пользоваться методом поэтапного моделирования в классическом его понимании [1].

В основе приближенного аналитического метода расчета, приведенного ниже, используется метод мгновенного регулярного режима Э.М. Гольдфарба [2], разработанный им для процессов переноса тепла в металлургических печах, вследствие чего мало распространенный в других отраслях теплотехники. Этот метод исследовался и применительно к процессам переноса тепла в системах охлаждения радиоэлектронных устройств и показывает его применимость [3], особенно для процессов переноса тепла в конструкциях, в которых используются тепловые трубы (ТТ) и тепловые аккумуляторы (ТА), как наиболее прогрессивные средства обеспечения теплового режима бортовой аппаратуры. При этом модифицированный вид этого метода можно использовать и при решении классических задач теплообмена в радиоэлектронной технике.

Одномерную модель, состоящую из ЭРИ и соединенных друг с другом тел конструкций узла вплоть до некоторого основного стока (теплоотвода) в этом узле с учетом ранее принятых допущений, можно представить в виде набора соприкасающихся пластин или теплоизолированных с боковых сторон стержней с неодинаковыми поверхностями контакта между собой и эквивалентной толщиной, температура которых изменяется только в направлении движения теплового потока (оси х). В общем виде такая тепловая модель представлена на рис. 1.

 

Рис.1. Модифицированная тепловая модель узла с ЭРИ с неодинаковыми поверхностями контакта между слоями (для произвольного количества слоев)

 

Математическое описание процессов теплопереноса в таких моделях приведено в [4], однако здесь имеет практический смысл привести его приближенное аналитическое решение. Отличие этой модифицированной модели от принятой у Э.М. Гольдфарба многослойной стенки состоит в неравенстве площадей контакта между соприкасающимися телами.

Если пренебречь временем инерционного периода, то начальную температуру по всем слоям можно принять равной температуре окружающей среды Тiс. Тогда перепады температур и соответствующие им температуры на границах слоев в регулярном периоде определяем в следующей последовательности.

1. Вычисляются плотности тепловых потоков qi на границах эквивалентных слоев (соприкасающихся тел, тепловые потоки через некоторые передаются только в направлении основного стока (теплоотвода)) по следующим аналитическим зависимостям (для простоты здесь принято, что процесс теплопереноса осуществляется через четыре слоя, а наружная поверхность последнего взаимодействует с окружающей средой):

(1)

2. Время аккумуляции tа определяется из следующего выражения:

(2)

3. Температуры на границах слоев Ti  в зависимости от времени t вычисляются из следующих выражений:

(3)

Смысл приведенных величин рассмотрен ниже.

Еi =ci×ri×di×ni ,  Ri =di/li × ni , Rm=1/nm , ni =Si/S1 ,

где i=1, 2, 3, 4 – количество слоев;

m порядковый номер наружной поверхности последнего слоя;

ci, ri, li, di – соответственно удельные теплоемкости, плотности, теплопроводности и эквивалентные толщины i-ых слоев системы тел;

a - коэффициент теплообмена наружной поверхности последнего слоя с условной окружающей средой в районе размещения рассматриваемого узла (блока) в составе аппаратуры.

Для стационарного состояния системы получим следующее выражение

Т1стс=q1

(4)

Примеры типичных тепловых моделей отдельных узлов с ЭРИ представлены на рис. 2.

 

Рис.2. Типичные тепловые модели отдельных узлов с ЭРИ:

а) 1 – корпус ЭРИ; 2 – теплопроводный компаунд; 3 – сток тепла (теплоотвод);

б) 1 – корпус ЭРИ; 2 – компаунд; 3 – однослойная или многослойная плата; 4 – компаунд; 5 – металлическая плата-рамка (сток тепла);

в) 1 – корпус ЭРИ; 2 – компаунд; 3 – плата; 4 – компаунд; 5 – металлическая пластина; 6 – компаунд; 7 – теплоотвод.

 

А теперь вернемся к анализу введенного безразмерного параметра ni=Si/S1 , выражающего отношение площади поверхности i-го слоя к 1-му слою, к которому непосредственно подводится удельный тепловой поток от ЭРИ  q1=P1/S1 (P1 – мощность, рассеиваемая ЭРИ). Безразмерный параметр ni учитывает различие в площадях контакта отдельных соприкасающихся слоев между собой. С физической стороны его можно назвать коэффициентом трансформации плотности тепловых потоков по слоям вплоть до основного стока рассеиваемой ЭРИ мощности, наглядно демонстрирующим эффект снижения температуры ЭРИ от введения дополнительных (или традиционных) конструктивных элементов.

Недостатком предлагаемой методики является то обстоятельство, насколько справедливо допущение об изотермичности поля температур в направлении осей y и z, однако этот вопрос следует решать в каждом конкретном примере [5].

Представленная тепловая модель, в аналитическом решении которой введен безразмерный параметр, оценивающий эффект снижения температуры от введения в конструкцию узла вблизи тепловыделяющих ЭРИ традиционных или дополнительных конструктивных элементов, удобна для инженерной практики. Этот эффект означает, что уже на самых начальных этапах конструирования можно с помощью грубых расчетных моделей заранее выбрать средства снижения перегревов наиболее теплонапряженных ЭРИ, например, до среднего по сравнению с перегревами других ЭРИ уровня. Это, в свою очередь, позволит уменьшить интенсивность теплообмена в теплонапряженных узлах и блоках и упростить средства обеспечения теплового режима аппаратуры в целом.

В тех случаях, когда в результате тепловых расчетов конструктивных узлов электрической схемы получаются недопустимые перегревы из-за неудовлетворительных стоков тепла, то взамен их можно использовать более эффективные средства, лучше пассивного характера, к которым следует отнести тепловые трубы и тепловые аккумуляторы, не требующие для своей работы дополнительных энергетических затрат, связанных с бортовым электрическим питанием. В обоих случаях можно использовать приведенные аналитические решения.

Здесь следует отметить, что предлагаемую модифицированную тепловую модель удобно использовать при расчете теплового режима мощных ЭРИ, охлаждаемых с помощью ТТ (см. рис. 3).

 

 

Рис.3. Тепловая модель тепловой трубы с ЭРИ: 1 – корпус испарительного участка ТТ; 2 – капиллярная структура на испарительном участке; 3 – капиллярная структура на конденсационном участке; 4 – корпус конденсационного участка (может иметь оребрение)

 

Для наглядности уравнения (1)-(4) аналитического решения, приведенные ранее, полностью соответствуют тепловой модели ТТ при заданной плотности теплового потока (здесь пренебрегли теплоемкостью ЭРИ и термическим сопротивлением контакта между ЭРИ и корпусом испарительного участка ТТ, а q1=P1/S1, где P1 – мощность, рассеиваемая ЭРИ; S1 – площадь контакта ЭРИ с ТТ). Температуру самого ЭРИ можно определить исходя из квазистационарного теплового режима относительно корпуса испарительного участка ТТ. Последнее сокращает число тел в системе.

Такая схема отвода тепла позволяет снизить плотность теплового потока от ЭРИ на конденсационный участок ТТ, расположенный за пределами ЭРИ в зоне с более интенсивной теплоотдачей или контактирующей с охлаждаемой поверхностью, тем самым понижается плотность теплового потока (его трансформация) до среднего уровня для рассматриваемой условной температуры. Часто это позволяет обходиться пассивными средствами обеспечения теплового режима аппаратуры.

Другим эффективным средством улучшения массогабаритных характеристик аппаратуры в пиковых режимах включения является введение в состав узла с ЭРИ теплового аккумулятора с фазопереходным веществом (ФПМ), который поглощает рассеиваемую ЭРИ мощность при его включении, а отдает его за пределы аппаратуры в перерывах между повторными включениями, тем самым снижает до требуемого уровня перегрев наиболее мощных ЭРИ. Использование ТА позволяет снять местные перегревы и использовать пассивные средства охлаждения. Тепловая модель устройства с фазопереходным веществом (ФПМ) представлена на рис. 4.

 

Рис.4. Тепловая модель ТА с источником энергии: 1- корпус ТА; 2- жидкая фаза ФПМ; 3- элементарный слой ФПМ, в котором происходит фазовое превращение ФПМ; 4- твердая фаза ФПМ

 

Здесь также можно использовать модифицированный метод мгновенного регулярного режима, с помощью которого удается прогнозировать эффект от введения в состав аппаратуры автономных средств охлаждения на основе плавящихся фазопереходных материалов, в которых происходят сложные процессы тепло- и массообмена. В работе [6] приведено аналитическое решение задачи теплового конструирования, доступное для инженерной практики на ранних этапах разработки аппаратуры.

 

Список литературы

 

  1. Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. Методы расчета теплового режима приборов. – М.: Радио и связь, 1990. – 312 с.
  2. Э.М. Гольдфарб. Теплотехника металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1967.– 440 с.
  3. В. А. Алексеев. Глава 13. Обеспечение тепловых режимов источников вторичного электропитания и их элементов. – В справочнике "Источники электропитания РЭА." – М.: Радио и связь, 1985. – с. 520–569 .
  4. В. А. Алексеев. Расчет нестационарной теплопередачи многослойной стенки с неодинаковыми площадями контакта между слоями. – Инж.-физ. журнал. – Минск, 1985. – том XLIX, №3. – с. 491–496.
  5. В.А. Алексеев, В.Ф. Чукин, М.В. Митрошкина. Математическое моделирование тепловых режимов аппаратуры на ранних этапах ее разработки. – М.: Информатика – Машиностроение, изд. "Вираж – Центр", 1998. – с. 17–22.
  6. В.А. Алексеев, В.В. Антонов. Расчет устройств охлаждения электронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ.сб. "Электронная техника в автоматике". – М.: Радио и связь, 1985. – вып. 16. – с. 147–155.

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 2, 2004 г.