Способы обеспечения теплового режима силового электронного оборудования

Введение

В любом электронном устройстве, будь то компьютер или СD-проигрыватель, система управления роботом или радиолокационная станция, имеется система, устройство или элемент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данное средство элементов.В большинстве случаев первичный источник или стандартная сеть по частоте, стабильности или напряжению оказываются непригодными для питания электронных устройств. Поэтому возникает необходимость преобразования электрической энергии. Класс устройств, преобразующий электрическую энергию, весьма разнообразен и охватывает диапазон мощностей от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Устройства, преобразующие вид и качество электрической энергии называют источниками вторичного электропитания (ИВЭП).

Для надежной и долговечной работы любого радиоэлектронного устройства необходим грамотный подход к конструированию и проектированию источников электропитания этого устройства. Основной задачей конструирования и проектирования источников питания, наряду с выбором варианта конструкции, обеспечением электромагнитной совместимости, устойчивости к механическим воздействиям, унификации, миниатюризации, технологичности и надежности, является обеспечение заданного температурного режима блока электропитания. Если основным средством миниатюризации любых систем обработки и хранения информации электронных средств, является повышение уровня интеграции микросхем, то для вторичных источников электропитания наибольший эффект достигается улучшением тепловых режимов, наряду с повышением КПД. Широкое применение в современных источниках вторичного электропитания микросхем и микросборок привело к тому, что расчет тепловой напряженности элементов, при проектировании, приобрел особое значение, так как допустимый перегрев становится наиболее объективным критерием оценки надежности и долговечности прибора.

В настоящей работе рассматривается один из возможных путей улучшения тепловых режимов для блоков питания силовой электроники.

Способы обеспечения теплового режима силового электронного оборудования

При обеспечении необходимого теплового режима РЭА основные трудности связаны с отводом тепла, т.е. охлаждением. В процессе переноса тепловой энергии в РЭА существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение. В зависимости от вида конвективного переноса тепловой энергии способы охлаждения РЭА часто разделяют на классы. При конвективном отводе тепла от РЭА используются теплоносители в различных фазовых состояниях, перемещение которых осуществляется естественным или принудительным образом. Учитывая тип и состояние теплоносителя, а также причину, вызвавшую его движение, способы охлаждения РЭА можно разделить на следующие основные классы: газовое (воздушное), жидкостное, испарительное, а также естественное и принудительное.[1]

Воздушное охлаждение

Естественное воздушное охлаждение РЭА является наиболее простым, надежным и дешевым способом охлаждения и осуществляется без затраты дополнительной энергии. Однако интенсивность такого охлаждения невелика, поэтому использование этого способа возможно при небольших удельных мощностях рассеивания.

Различают две основные схемы естественного воздушного охлаждения блоков и стоек РЭА: с герметичным и перфорированным кожухом (рис. 1.1). В герметичном кожухе (рис. 1.1, а) конвективный теплообмен осуществляется от элементов РЭА к воздуху внутри аппарата, от воздуха к кожуху аппарата, от кожуха к окружающей среде (воздуху). При перфорированном кожухе (рис. 1.1, б) конвективный теплообмен в основном происходит между элементами РЭА и окружающей средой (воздухом), проникающей сквозь перфорации. Естественное воздушное охлаждение РЭА с перфорированным кожухом позволяет обеспечить тепловой режим при более высоких удельных мощностях рассеивания, чем при герметичном кожухе.

Интенсификация теплообмена при естественном воздушном охлаждении возможна за счет рационального конструирования РЭА: оптимального расположения элементов РЭА и перфораций кожуха, применения экранов, оребрения отдельных поверхностей, использования теплопроводных шин, замазок, компаундов, соответствующей окраски излучающих поверхностей и т. п.

Для интенсификации конвективного теплообмена между РЭА и окружающей средой используют принудительное движение воздуха, создаваемое специальными устройствами, главным образом вентиляторами. Работа устройств приводит к дополнительному расходу энергии.

Принудительное воздушное охлаждение получило наибольшее распространение, так как позволяет при более высоких удельных мощностях рассеивания обеспечить нормальный тепловой режим РЭА при относительной простоте и небольшой стоимости систем обеспечения теплового режима (СОТР).

Рис. 1.1. Схемы воздушного охлаждения блоков:

а – естественное воздушное охлаждение РЭА в герметичном кожухе; б – то же в перфорированном кожухе; в – принудительное воздушное охлаждение РЭА с внутренним перемешиванием; г – то же с наружным обдувом; д – то же холодным воздухом; 1 – кожух аппарата; 2 – платы с элементами РЭА; 3 – перфорированные отверстия; 4 – вентилятор.

Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения: внутреннее перемешивание, наружный обдув, продувку (см. рис. 1.1, в–д). Схема принудительного воздушного охлаждения РЭА с внутренним перемешиванием приведена на рис. 1.1, в. В этой схеме для интенсификации конвективного теплообмена между элементами РЭА и герметичным кожухом внутри аппарата установлен вентилятор. Теплообмен между кожухом аппарата и окружающей средой происходит так же, как при естественном воздушном охлаждении РЭА с герметичным кожухом. Схема принудительного воздушного охлаждения РЭА с наружным обдувом приведена на рис. 1.1, г. В этом-случае теплообмен между элементами РЭА и воздухом внутри герметичного кожуха осуществляется так же, как при естественном воздушном охлаждении РЭА, а для интенсификации теплообмена между кожухом и воздухом окружающей среды установлен вентилятор. На рис. 1.1, приведена схема с продувкой, здесь воздух из окружающей аппарат среды или предварительно охлажденный в специальных устройствах (теплообменниках, кондиционерах и т. д.) пропускается через специальные каналы и охлаждает элементы РЭА. Эта схема применяется наиболее широко в практике конструирования СОТР РЭА.

Жидкостное охлаждение

Принудительное жидкостное охлаждение применяется при высоких удельных мощностях рассеивания. Наибольшее распространение этот способ получил при охлаждении больших элементов, когда однофазная жидкость прокачивается насосом через специальные каналы в охлаждаемых узлах приборов (электроды мощных ламп, трансформаторы и т. д.). При отводе тепла от блоков жидкость прокачивается через каналы, выполненные в платах или кожухе аппарата.

В качестве жидких теплоносителей обычно применяются: вода, водо-спиртовые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические жидкости. Выбор типа теплоносителя является одной из главных проблем при разработке принудительного жидкостного охлаждения, так как к теплоносителям предъявляются разнообразные требования (теплофизические, электрические и др.). При жидкостном принудительном охлаждении возможны все три режима движения: ламинарный, переходный и турбулентный. Опыт проектирования таких систем показывает, что чаще всего мы встречаемся с переходным либо турбулентным режимом и гораздо реже с ламинарным. Конструкция РЭА при жидкостном охлаждении, как правило, значительно сложнее, чем при воздушном. Однако при высоких удельных мощностях рассеивания жидкостное охлаждение РЭА является единственно возможным, поэтому в современных радиоэлектронных приборах этот вид охлаждения находит широкое применение.

Испарительное охлаждение

Естественное испарительное охлаждение обычно позволяет повысить удельную мощность рассеивания РЭА и применяется для теплонагруженных блоков и больших элементов. Охлаждаемая поверхность погружается в жидкость, над которой имеется паровой объем, отвод тепла осуществляется в процессе кипения жидкости на охлаждаемой поверхности. Движение теплоносителя происходит за счет разности плотностей. Разность температур между охлаждаемой поверхностью и кипящей жидкостью обычно мала, поэтому температура кипения выбранного теплоносителя при определенном давлении должна быть чуть ниже заданной в ТЗ допустимой температуры охлаждаемой поверхности.

Рассматриваемый способ охлаждения радиоэлектронной аппаратуры имеет ряд особенностей. При определенных значениях удельных мощностей рассеивания жидкость на охлаждаемой поверхности начинает кипеть, возникают пузырьки, которые отрываются от этой поверхности и движутся к границе раздела жидкость — пар. Движение пузырей вызывает перемешивание жидкости вблизи центров парообразования. По мере роста мощности, рассеиваемой охлаждаемой поверхностью, количество действующих центров парообразования и частота отрыва пузырей возрастает и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Этот режим кипения называется пузырьковым и часто применяется при естественном испарительном охлаждении РЭА. При значительном увеличений рассеиваемой охлаждаемой поверхностью мощности, возникающие на этой поверхности пузыри сливаются в сплошную пленку, которая оттесняет жидкость, от поверхности, и условия теплоотдачи резко ухудшаются. Этот режим кипения называется пленочным и сопровождается резким повышением температуры охлаждаемой поверхности. Значения удельной мощности рассеивания, коэффициента теплоотдачи и других параметров, соответствующих переходу пузырькового режима кипения в пленочной, называют критическими, а само явление — кризисом кипения, Возникновение кризиса кипения зависит от многих факторов, но главным образом от типа теплоносителя, удельной рассеиваемой мощности и характера охлаждаемой поверхности. Возможен и обратный переход: от пленочного кипения к пузырьковому.

Естественное испарительное охлаждение считается одним из перспективных, поэтому в последнем десятилетии появилось много работ по исследованию этого способа охлаждения. Схемы могут быть весьма разнообразны, однако общим для всех является использование испарения и кипения жидкости для отвода тепла и отсутствие механических устройств для движения жидкости и пара. Широкое применение получают фитильные испарительные системы и так называемые «тепловые трубы». В этих системах для транспортировки жидкости используется капиллярный эффект. Охлаждаемая поверхность не погружается в жидкость, а смачивается жидкостью, которая находится в капиллярах фитиля, обволакивающего поверхность. Отвод тепла от охлаждаемой поверхности осуществляется испарением жидкости из капилляров фитиля, Как и в описанном выше случае, при определенных значениях теплового потока режим испарения переходит в режим пузырькового кипения. При дальнейшем увеличении теплового потока и более интенсивном пузырьковом кипении происходит «запаривание» капиллярной структуры, паровые пузыри сливаются в крупные образования, резко падает коэффициент теплоотдачи. Таким образом, кризис кипения в этих системах может иметь место при тепловых потоках, соответствующих режиму развитого пузырькового кипения теплоносителя.

Принудительное испарительное охлаждение выполняется примерно по такой же схеме, как и принудительное жидкостное охлаждение. Жидкость с помощью насоса прокачивается через специальные каналы, в охлаждаемых узлах. Если допустимая температура охлаждаемой поверхности будет выше температуры насыщения теплоносителя при данном давлении, а температура теплоносителя в ядре потока поддерживается равной или меньшей температуры насыщения, то в небольшом поверхностном слое вблизи охлаждаемой поверхности начнется процесс пузырькового кипения. Возникающие в поверхностном слое пузыри будут под действием потока жидкости удаляться с поверхности и конденсироваться в ядре потока. Зарождение, движение и конденсация паровых пузырей вызывают интенсивный теплообмен между поверхностным слоем и ядром потока жидкости (особенно, если оно недогрето). При этом плотность теплового потока может достигать очень больших величин. Предельные мощности рассеивания ограничены переходом пузырькового режима кипения в пленочный. Однако благодаря интенсивному движению холодного ядра жидкости кризис кипения при принудительном испарительном охлаждении наступает при гораздо более высокой мощности рассеивания, чем при естественном испарительном охлаждении.

Принудительное испарительное охлаждение является самым эффективным из всех перечисленных способов охлаждения и позволяет обеспечить нормальный тепловой режим РЭА при максимальных удельных мощностях рассеивания.

В некоторых исследованиях предлагается использовать для охлаждения РЭА вместо воздуха другие газы. В табл. 1 приведены относительные значения основных параметров некоторых газов по сравнению с воздухом при атмосферном давлении и температуре газа 273 К (20°С). Сравнение проведено при условии, что все газы снимают одинаковые тепловые нагрузки при одинаковых температурах газов на входе и выходе канала и турбулентном течении. Отметим, что применение специальных газов для охлаждения РЭА связано с большими конструктивными трудностями и может быть оправдано при создании герметичных замкнутых контуров с постоянной подпиткой в условиях, когда любой газ необходимых параметров, в том числе и воздух, одинаково трудно приготовить. Такие условия могут наблюдаться в контейнерах высотных самолетов и космических аппаратов.

Газ	Весовой расход	Объемный расход	Коэффициент теплоотдачи	Потери давления	Мощность вентилятора	Диэлектрическая постоянная
Воздух
Гелий	0, 19	1, 4	1, 52	0, 37	0, 93	0, 13
Азот	0, 97			1, 04	0, 88
Водород	0, 07	0, 98	1, 44	0, 1	0, 09	0, 07
Двуокись углерода	1, 14	0, 68	1, 05	0, 65	0, 59	—
Аргон	1, 94	1, 4	0, 62	2, 47	3, 45	—

Таблица 1. Относительные параметры газовых теплоносителей

В заключение заметим, что способы охлаждения РЭА существенно влияют на ее конструкцию, поэтому их нужно выбирать на ранней стадии конструирования. В последующих параграфах этой главы мы познакомим читателя с особенностями конструкций РЭА при различных способах воздушного охлаждения. Эти материалы, по нашему мнению, должны расширить кругозор конструктора, но ни в коем случае не ограничить его творчество в поисках лучших решений.

2. Классификация элементов электронной техники по требованиям к тепловому режиму.

Диоды

Выпрямительные диодные сборки – состоят из двух диодов, имеющих общий вывод катодов, и предназначенны для работы в выпрямительных схемах.

Температурный диапазон составляет –60..+100⁰С

Диодные мосты импортные

Температурный диапазон составляет –55..+125⁰С.

Стабилитроны

Температурный диапазон составляет –65..+175⁰С. [5]

Тиристоры – переключательные полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более p-n переходов. [6]

Диапазон рабочих токов 0, 25-25 А, рабочее напряжение до 2800 В.

Температурный диапазон составляет –55..+150⁰С

Транзисторы

IGBT транзисторы – выполнены по NPT технологии, которая позволяет значительно улучшить рабочие характеристики приборов.

IGBT транзисторы выпускаются в различных корпусах. Технология EmCon фирмы Infineon позволяет интегрировать в одном корпусе транзистор и быстродействующий обратный диод.

Диапазон рабочих токов 2-30 А, рабочее напряжение до 1200 В.

Температурный диапазон составляет –55..+150⁰С [6]

Реле

Реле твердотельные

Температурный диапазон составляет –30..+85⁰С

Реле герконовые

Температурный диапазон составляет –40..+85⁰С [7]

Конденсаторы

Керамические дисковые конденсаторы – являются заменой отечественных конденсаторов типа К10-7В, К10-19, КД-2. Дисковые окукленные конденсаторы имеют керамический диэлектрик, обеспечивающий устойчивую линейную зависимость емкости от температуры и используется для настройки контуров и др.. Применяются в цепях постоянного, пульсирующего, переменного токов в импульсных режимах.

Температурный диапазон составляет –25..+85⁰С

Керамические высоковольтные конденсаторы К15-5 – применяются для работы в электрических цепях постоянного, переменного синусоидального, пульсирующего токов и в импульсном режиме. Конструктивно выполнены изолированными.

Температурный диапазон составляет –40..+85⁰С

Конденсаторы пленочные металлизированные (К73-17) - применяются для работы в электрических цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов и в импульсном режиме.

Температурный диапазон составляет –40..+85⁰С

Конденсаторы танталовые (SMD)

Температурный диапазон составляет –55...+85⁰С (до 125⁰С с пониженным номинальным напряжением)

Трансформаторы

Температурный диапазон работы трансформаторов зависит от материала изоляции.

1. пленка второрпластовая до +300⁰С

2. лак бакелитовый до 250⁰С

3. лакоткань до 105⁰С

4. стеклотекстолит до 250⁰С

Индуктивность серии LQ (SMD)

Температурный диапазон составляет –25...+85⁰С [8]

Резисторы

Резисторы толстопленночные (SMD)

Температурный диапазон составляет –55...+125⁰С [8]

2.6 Методика определения тепловыделений в элементах

Сущность метода.

Исследуемый элемент укрепляется на калориметрическом ядре, у которого известна теплоёмкость и тепловая проводимость в окружающую оболочку. На ядре установлен датчик температуры. После подачи электропитания на элемент производится запись изменения температуры ядра, и по скорости разогрева ядра и его перегрева относительно оболочки судят о его мощности тепловыделений в элементе. Тепловой режим электросистемы элемента обеспечивается за счёт хорошего теплового контакта теплоотдающей поверхности элемента с ядром.

Теория метода.

Схема устройства представлена на рис. 2.6.1. электронный элемент 1 установлен на калориметрическом ядре 2, и эти элементы помещены в оболочку 3. Теплоёмкость ядра 2 должна быть не менее, чем в 10 раз выше, чем теплоёмкость элемента 1, а оболочки 3 не менее, чем в 20 раз выше теплоёмкости ядра 2. Теплота от элемента 1 передаётся ядру 2, и его температура начинает расти, при этом часть теплоты идет через зазор в оболочку 3. тепловой баланс можно описать уравнением:

(2.6.1)

где с₁и с₂ – теплоёмкости электронного элемента и ядра,

τ - время,

σ ₂₃ – тепловая проводимость между ядром и оболочкой,

Т₂ и Т₃ – температуры ядра и оболочки,

Ф₁ – мощность тепловыделений в электронном элементе.

Зная величины с₁, с₂ и σ ₂₃ из предварительных калибровочных опытов можно по формуле (2.6.1) получить значение мощности Ф₁.

Рис.2.6.1. Схема измерения мощности тепловыделений в электронном элементе.

1 – электрический элемент, 2 – калориметрическое ядро, 3 – оболочка, 4 – кабель электропитания, 5, 6 – датчики температуры.

Практическая реализация.

Ядро 2 выполняется из меди М3, его масса должна быть не менее 0, 02 кг. на одной из сторон сделано универсальное посадочное место для установки электронных элементов. В качестве датчиков температуры используются термопары типа МК диаметром 0.12мм.

Оболочка 3 выполняется из материала с высокой теплопроводностью (медный или алюминиевый сплавы) с массой примерно 1 кг. Конструктивно она выполняется в виде камеры с крышкой, в которой сделано отверстие для токоведущих проводов. Температура оболочки 3 измеряется также при помощи термопары МК.

Сигнал от термопар поступает на самопишущий прибор и фиксируется на бумажной ленте. В качестве самописца в опытах использовался прибор H37 с усилителем И37.

Градуировка установки

На калориметрическое ядро 2 устанавливается электронный элемент, например диод, массогабаритные характеристики которого соответствуют испытываемому прибору. Диод подключается к стабилизированному источнику постоянного тока, и в цепь его питания включается амперметр и вольтметр. Термопара подключается к самописцу, и ядро с прибором помещается в оболочку 3.

Включаем самописец, затем подаем питание на диод и одновременно делаем отметку на диаграммной ленте. Ядро с диодом начинает разогреваться по закону, близкому к экспоненте. Через 20 – 30 минут температура ядра 2 перестает изменяться, так как вся тепловая мощность, выделявшаяся в диоде, перетекает по кабелю электропитания и через воздушный зазор к оболочке 3. Величину проводимости можно определить по формуле: , (2.6.2.)

где U и I – падение напряжения и сила тока в диоде,

и - стационарная температура ядра и оболочки.

Затем выключаем электропитание диода, и ядро начинает свободно остывать по закону, близкому к экспоненте:

, (2.6.3.)

где - температура ядра в процессе остывания,

m – темп остывания,

τ – время, отсчитываемое от момента выключения питания.

величина m является функцией проводимости и теплоемкости :

m= (2.6.4.)

Из выражения (2.6.4.) можно определить , зная величину m из уравнения (2.6.3.) и из выражения (2.6.2.).

Повторив опыты несколько раз, для каждого калориметрического ядра делаем достоверные оценки величин и , которые можно использовать для расчетов мощности тепловыделений в отдельных элементах.

Выводы

В результате проделанной работы провели расчет температур корпусов силовых элементов размешенных на ребристом радиаторе обдуваемым принудительным потоком воздуха. Расчет показал, что прибор работает в предельном температурном режиме. Базируясь на анализе допустимых температур и выделяемой мощности элементов был предложен подход, для оптимизации конструкции без изменения электрической схемы и габаритов прибора. Тепловыделяющие элементы были сгруппированы по величине предельно допустимой температуры. Для каждой из групп создавались свои радиаторы. Была предложена более рациональная схема вентиляции. В результате температура корпусов элементов для каждой группы стала заметно ниже и стала удовлетворять условиям эксплуатации.

При тепловом проектировании важнейшим является мощность тепловыделений элемента. Для ее определения предложен калориметрический метод.

На основе анализа проделанных мероприятий удалось сформулировать основные разделы методики оптимизации теплового режима блока питания, которая позволяет не только сделать прибор более надежным но и позволяет увеличить выходную мощность прибора.

Приложение 1.

Расчет радиатора

В системах воздушного охлаждения — широко применяются радиаторы, различающиеся по виду развитой поверхности. На рис.1.1 изображены радиаторы: а — пластинчатые; б — ребристые; в — игольчато-штыревые; г — 'типа " краб". На рисунке приведены геометрические параметры, существенно влияющие на величину рассеиваемого радиатором теплового потока — размеры основания L₁, L₂ (прямоугольное основание), толщина δ основания, высота H (или h), толщина d ребра или штыря и шаг S между ними. Для петельно-проволочных радиаторов характерными геометрическими параметрами являются высота H витка, диаметр d проволоки, шаг навивки S₂ шаг укладки S₁, коэффициент заполнения φ канала, равный отношению площади поперечного сечения спиралей к площади сечения канала. [2]

Для характеристики теплообменных свойств радиатора используют зависимость между средним перегревом = t_s - t_c основания радиатора а рассеиваемой им мощностью Р, эффективным коэффициентом теплообмена основания α _эф, тепловой проводимостью или тепловым сопротивлением R_Σ, cвязанными зависимостями: F = L₁ ^. L₂ — для прямоугольного основания; F = π D /4 — для круглого основания;

P = = ;

. (1.1)

Формула (4.1.1) справедлива для радиатора любого из рассмотренных выше типов; вся сложность процессов переноса тепла и конструктивные особенности сосредоточены в одной величине — в эффективном коэффициенте теплообмена. Последний может быть определен экспериментальным и расчетным путем.

Рис. 1.1

Расчет параметров и для ребристых и игольчато-штыревых радиаторов

Необходимость такого анализа связана с непрерывным изменением выпускаемых промышленностью типоразмеров радиаторов. Представим радиатор как некоторую оребренную (N ребер) пластину (основание радиатора). Тепловую модель одиночного ребра или штыря радиатора можно представить в виде стержня (рис. 1.2) произвольного сечения f с периметром U, длиной h, находящегося в среде с температурой t_c и коэффициентом теплоотдачи с боковой поверхности α; коэффициент теплопроводности стержня — λ. В левый торец стержня входит тепловой поток P_i, который кондуктивно передается по ребру, рассеиваясь при этом с его поверхности.

Температурное поле стержня описывается дифференциальным уравнением

, (1.2)

где

с граничными условиями:

. (1.3)

Решение системы (1.2) – (1.3) имеет вид

(1.4)

Рис.1.2

Из равенства (1.4) получаем, что перегрев левого торца стержня, т.е. равен

(1.5)

Для учета теплового потока, рассеиваемого с конца стержня (x = L), следует вместо длины h подставить в формулу (1.5) фиктивную длину h’ = h + f/U, т.е.

. (1.6)

Найдем из этой формулы тепловое сопротивление одиночного стержня (ребра, штыря):

. (1.7)

Общая проводимость оребренной части радиатора за счет конвекции равна сумме проводимостей всех N ребер, т.е. . Если конвективная проводимость от неоребренной части радиатора равна , а проводимость за счет лучистой составляющей — , то общая проводимость радиатора равна

. (1.8)

Рассмотрим методики расчета составляющих уравнения (1.8).

Расчет интенсивности конвективного теплообмена от ребер радиатора

I. Для вынужденной конвекции воздушной среды могут быть рекомендованы следующие формулы.

Для ребристых радиаторов:

Nu = 0, 59Re^{0, 5} при 2^.10³ < Re < 5^.10³;

Nu = 0, 033Re^{0, 8} при Re ≥ 5^.10⁵. (1.9)

Для игольчато-штыревых радиаторов:

Nu = 0, 49Re^{0, 5} при Re < 1000;

Nu = 0, 194Re^{0, 65} при Re ≥ 1000. (1.10)

В (1.9) и (1.10) приняты следующие обозначения:

Nu = α L/λ; Re = V_pL/ν; λ, ν — теплопроводность и кинематическая вязкость воздуха при температуре набегающего потока, V_p — расчетная для данного вида оребрения скорость движения воздуха, L — определяющий размер.

Особенности теплообмена радиатора учтены в выборе параметров L и V_p, которые равны:

для ребристых радиаторов V_p = 1, 25V; L = L₁ (L₁ — длина ребра в направлении движения омывающего воздуха);

для игольчато-штыревых радиаторов

, (1.11)

где V — средняя скорость движения набегающего потока воздуха; S — шаг оребрения; d₁, d₂ — диаметры штыря у основания и на конце.

II. При естественной конвекции воздушной среды для игольчато-штыревого и ребристого радиаторов интенсивность теплообмена может быть рассчитана по формулам:

Nu = 1, 18 (G_r ^. P_r)^{0, 125} при 10^-3 < G_rP_r ≤ 5^.10²;

Nu = 0, 54 (G_r ^. P_r)^{0, 25} при 5^.10² < G_rP_r ≤ 2^.10⁷;

Nu = 0, 135 (G_r ^. P_r)^{0, 33} при G_rP_r > 2^.10⁷. (1.12)

Здесь Nu = α L/λ, G_r = β gL³(t_p-t_c)/ν ², P_r = ν /a.

β — коэффициент объемного расширения воздуха, g — ускорение свободного падения, ν — коэффициент кинематической вязкости, t_p — температура ребра или штыря, t_c — температура окружающей среды, а — температуропроводность воздуха, L — определяющий размер (L = L₁, L = d_эфф — для ребристого и игольчато-штыревого радиатора соответственно).

Теплофизические свойства воздуха следует выбирать при температуре

T_m = 0, 5(t_p + t_c)

Пример расчета радиатора длиной 300 мм

Пример расчета радиатора длина 150 мм

Приложение 2

Введение

Способы обеспечения теплового режима силового электронного оборудования

Воздушное охлаждение

12 3 4 5 Следующая ⇒