Способы охлаждения электронных устройств

В процессе переноса тепловой энергии в аппаратуре участвуют все три механизма теплопередачи

В зависимости от конкретных режимов работы и условий эксплуатации относительный вклад каждого из видов теплопередачи в общем балансе может существенно различаться.

Используемые в электронных устройствах с длительным режимом работы системы охлаждения можно классифицировать:

по виду теплоносителя – воздушные (газовые), жидкостные, испарительные;

по характеру движения теплоносителя – с естественным или принудительным движением охлаждающей среды.

Естественное воздушное охлаждение строится по двух схемам с герметичным (а) и перфорированным (б) корпусом. Такое охлаждение является наиболее простым и надежным способом охлаждения, не требует затрат дополнительной энергии, однако обеспечивает охлаждение при небольших удельных мощностях рассеяния в электронных устройствах, работающих в облегченном тепловом режиме.

 

 

Схемы воздушного охлаждения блоков:

1- корпус устройства; 2 – платы с элементами; 3 – перфорационные отверстия; 4 - вентилятор

Рациональное использование перфорации на корпусе позволяет увеличить количество отводимого тепла на 30%, и уменьшить перегрев на 20%. При этом оптимальное соотношение между суммарной площадью перфорационных отверстий и наружной поверхностью корпуса лежит в пределах 20…30%, оптимальный диаметр отверстий 6…12 мм.

Требования, предъявляемые при компоновке электронных устройств с естественным воздушным охлаждением:

- хорошее обтекание охлаждающим воздухом всех элементов конструкции, особенно теплонагруженных;

- теплонагруженные элементы должны располагаться в верхней части блока ближе к стенкам;

- теплочувствительные элементы должны защищаться от обтекания нагретым воздухом;

- при воздействии лучистой энергии теплочувствительные элементы должны защищаться экранами;

- все теплонагруженные элементы должны иметь хорошие тепловые контакты с несущими узлами (шасси, платы, кожухи и т.п.).

Для интенсификации теплообмена при естественном охлаждении применяют специальные экраны, направляющие потоки воздуха, оребрение отдельных поверхностей, дополнительные радиаторы.

Принудительное воздушное охлаждение имеет три разновидности: внутреннее перемешивание (в), наружный обдув (г) и продувку (д). В первых двух случаях электронное устройство размещается в герметичном кожухе, во втором и третьем возможно применение общих и локальных схем принудительной вентиляции, выполняемых по приточной, вытяжной или приточно-вытяжной схемам. С помощью общих систем принудительной вентиляции охлаждают электронное устройство в целом или блок. Локальные системы предназначены для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов (мощных электронных ламп, полупроводниковых приборов, трансформаторов и т.п.)

Принудительная вентиляция может отводить до 80% тепла, выделяющегося в блоке (шкафу, стойке). Конструкция, в которой используется принудительное охлаждение, должна удовлетворять следующим требованиям:

- обладать малым аэродинамическим сопротивлением протекающему воздуху;

- обеспечивать хороший доступ холодного воздуха к теплонагруженным элементам;

- иметь защиту внутреннего объема от пыли;

- включать в себя элементы конструкции для выравнивания полей скоростей потока охлаждающего воздуха (перфорированные решетки, экраны, патрубки и т.п.);

- осуществлять автоматическое отключение питания электронного устройства при выходе из строя системы вентиляции.

В качестве жидких теплоносителей в системах с естественным или принудительным жидкостным охлаждением используется вода, водоспиртовые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические жидкости. Перенос тепла от нагретой поверхности к жидкости происходит за счет конвекции и теплопроводности. Повышение интенсивности теплообмена обеспечивается за счет более высоких коэффициентов теплоотдачи между элементами ЭУ и жидкостью, чем между элементами и газом.

Испарительное охлаждение также может быть естественным или принудительным. В системах применяется жидкость с низкой температурой кипения. Температура жидкости в рабочем режиме равна температуре насыщения, а перенос тепла происходит за счет теплоты парообразования.

Эффективность систем охлаждения можно характеризовать такими параметрами, как удельное тепловое сопротивление и коэффициент теплоотдачи.

Система охлаждения	Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К)	Тепловое сопротивление, м2·К/Вт
Естественная воздушная, излучением	2…10	(500…60)·10-3
Принудительная воздушная	10…150	(100…10)·10-3
Естественная жидкостная	200…600	(5…2)·10-3
Принудительная жидкостная	300…3000	(1…0,3)·10-3
Испарительная	500…120000	(0,1…0,02)·10-3