Термоэлектрический интенсификатор теплопередачи преимущественно для отвода тепла от импульсных источников и элементов радиоэлектроники большой мощности

 

Изобретение относится к электрорадиотехнике и технической физике и предназначено для термостабилизации элементов радиоэлектроники, выделяющих при работе в непрерывном и импульсном режимах значительное количество теплоты. Технический результат, получаемый от использования данного изобретения, состоит в повышении эффективности термостабилизации импульсных источников и элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) большой мощности. Сущность изобретения состоит в особенностях конструктивного выполнения термоэлектрической батареи модулей и автоматического блока управления. Схема соединения модулей в термоэлектрическую батарею обеспечивает высокую надежность работы устройства, в котором батарея термоэлектрических модулей электрически связана с установленным на охлаждаемом элементе термодатчиком и блоком автоматического регулирования температуры, содержащего также теплообменник и тепловой демпфер из высокотеплопроводного металла, выполненный в виде многогранника, на малом основании которого выполнена площадка для установки с обеспечением теплового контакта охлаждаемого элемента, а к большему основанию которого присоединены "холодные" спаи батареи термоэлектрических модулей, снабженной на "горячих" спаях теплообменником. Предлагаемый термоэлектрический интенсификатор теплопередачи обеспечивает стабилизацию и поддержание заданного теплового режима работы элементов РЭА. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области технической физики и предназначено для термостабилизации элементов радиоэлектроники, выделяющих при работе в непрерывном и импульсном режимах значительное количество теплоты.

Функциональные элементы современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) предъявляют жесткие требования к обеспечению заданных тепловых режимов и допустимому разбросу температур между ними. При этом необходимо иметь в виду, что оптимальный режим работы некоторых элементов РЭА достигается при температурах, превышающих на несколько десятков градусов температуру окружающей среды, но при работе они разогреваются значительно сильнее и необходимо интенсивно отводить от них избыток теплоты.

В литературе описаны устройства с развитой поверхностью теплообмена, отводящие теплоту от тепловыделяющих элементов РЭА под действием естественной разности температур, например, элементы РЭА снабжают радиаторами [1]. Для интенсификации теплопередачи применяют радиаторы с различными расположениями ребер [2, 3] , снабжают радиатор дополнительными гофрированными вставками, выполняют ребра радиаторов обтекаемыми со сквозными отверстиями [4] и т. п. Все эти конструктивные признаки применяют для создания турбулентности воздушного потока, обтекающего ребра радиатора, в результате чего увеличивается интенсивность теплопередачи. Однако такие устройства малоэффективны, когда температура эффективной работы элемента РЭA превышает температуру окружающей среды, но сам элемент при работе разогревается значительно выше. Кроме того, радиаторы в этих случаях имеют значительные габариты, что делает устройство громоздким.

Широко используются в электронике решения, согласно которым к охлаждаемому элементу РЭA непосредственно присоединяется с обеспечением теплового контакта батарея термоэлектрических модулей (ТЭМ). Недостатком этого решения является малая эффективность, т.к. площадь основания охлаждаемого элемента РЭA мала и это не позволяет присоединять к нему значительное количество термоэлектрических элементов, следствием чего и является малая эффективность устройства.

В работе [5] описан термоэлектрический интенсификатор теплопередачи, в котором между теплообменником и тепловыделяющим элементом установлена батарея ТЭМ. В этом устройстве интенсификация осуществляется за счет применения термоэлектрических элементов, "холодные" спаи которых охлаждают тепловыделяющий элемент, а теплообменник отводит тепло от "горячих" спаев. Однако это устройство также громоздко, т.к. требует теплообменника больших размеров, кроме того, интенсификатор, как и другие известные ранее, невозможно использовать для термостабилизации импульсных инфракрасных излучателей (ИК-излучателей), выделяющих в одном импульсе излучение до 1000 Вт и способных при этом расплавить контактирующие с ним термоэлектрические модули.

Для отвода тепла от элементов РЭA с большим тепловыделением, в частности импульсных ИК-излучателей, предлагается устройство, в котором учтены указанные недостатки и при этом повышена эффективность теплоотвода и надежность работы. Предлагаемое устройство, конструкция которого показана на фиг. 1, содержит тепловой демпфер в виде массивной усеченной четырехугольной пирамиды 1, на малом основании 2 которой находится площадка для установки с обеспечением теплового контакта охлаждаемого элемента РЭA 3. На этой площадке выполнено резьбовое отверстие для закрепления в нем с помощью теплопроводной пасты (например, КTП-8) охлаждаемого элемента РЭA 3 (например, транзистор 2Т9557А, резьбовая часть которого смазана пастой КТП-8 и посажена в отверстие на основании 2). На большем основании 4 демпфера 1 в тепловом контакте с ним установлена своими "холодными" спаями батарея ТЭМ 5, к "горячим" спаям которой присоединен с обеспечением теплового контакта теплообменник 6. Рядом с охлаждаемым элементом РЭA 3 на основании 2 укреплен термодатчик 7, электрически связанный с блоком управления 8, выход которого электрически связан с батареей ТЭМ 5. Демпфер 1 и теплообменник 6 выполнены из высокотеплопроводного материала, например из меди, алюминия и т.п.

Разработанное устройство работает следующим образом. Если температура демпфера 1 превышает допустимую величину, то термодатчик 7 подает сигнал на блок управления 8, который в соответствии с этим сигналом подает необходимой величины ток на батарею ТЭМ 5. В результате батарея ТЭМ 5 охлаждает демпфер 1, следовательно, и охлаждаемый элемент РЭA 3, а избыток тепла от "горячих" спаeв батареи ТЭМ 5 отводится теплообменником 6. При уменьшении температуры демпфера 1 до допустимой величины термодатчик 7 и блок управления 8 отключают батарею ТЭМ 5. На фиг. 2 показана схема соединения ТЭМ 1-20. Все ТЭМ с 1-го по 20-й электрически параллельно соединены в компактные группы, а компактные группы ТЭМ в свою очередь соединены последовательно. Такое соединение обеспечивает более надежную работу батарее ТЭМ, даже при выходе из работы всех, кроме одного ТЭМ в группе.

Для случая, когда охлаждаемый элемент РЭA 3 выделяет большие значения теплоты в импульсном режиме, разработано устройство, представленное на фиг. 3, принцип работы которого тот же, что и у устройства, показанного на фиг. 1. Батарея ТЭМ 5 при этом содержит несколько каскадов, причем ТЭМ включаются в тепловую цепь так, чтобы тепловыделяющие спаи первого каскада ТЭМ присоединялись к теплопоглощающим спаям второго каскада ТЭМ и т.д. Такое конструктивное выполнение устройства позволяет получить большее снижение температуры, чем при использовании одного каскада. При каскадировании происходит охлаждение верхних термоэлектрических модулей нижними, причем наращивая количество каскадов, можно получить глубокое охлаждение. Количество каскадов батареи ТЭМ рассчитывают в зависимости от величины отводимой мощности, рассеиваемой в окружающую среду. Отвод теплоты от каскадной батареи ТЭМ осуществляется жидкостным теплообменником 6.

При использовании устройства (фиг. 3) для охлаждения импульсных ИК-излучателей предварительно до импульса излучения охлаждают тепловой демпфер 1 до -20...-90^oC с помощью каскадной батареи ТЭМ 5. Применение батареи ТЭМ 5 с 3-4 каскадами позволяет это сделать. Затем после импульса тепловой демпфер нагревается до температуры выше окружающей среды и уже от него тепло через каскадную батарею ТЭМ 5 и теплообменник 6 рассеивается в окружающую среду.

Наиболее эффективно применение устройства в тех случаях, когда рабочий диапазон температур охлаждаемого элемента РЭA 3 выше температуры окружающей среды, т.е. вектор потока теплоты процесса естественной теплопередачи направлен от охлаждаемого элемента РЭA 3 к теплообменнику 6. Включение в этот процесс батареи ТЭМ 5 добавляет вектор потока тепла от "холодных" спаев к "горячим", т.е. процесс передачи тепла от охлаждаемого элемента РЭA 3 к теплообменнику 6 интенсифицируется. А так как нет необходимости охлаждать элемент РЭА 3 до или ниже температуры окружающей среды, то для экономии энергии блок управления 8 отключает батарею ТЭМ 5.

Применение целой батареи ТЭМ вместо одного ТЭМ обеспечивает более эффективный теплоотвод от охлаждаемого элемента за счет введения теплового демпфера и его формы.

Список литературы 1. Дульнев Г.И. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984.

2. А.с. 752836 (СССР) Радиатор. /Федотов А.И., Рейфе Е.Д., Денисенков А. И. и др./ БИ N 28, 1980.

3. А.с. 801331 (СССР) Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов./ Благодатный В.М., Костюк В.А., Ремха Ю.С./ БИ N 4, 1981.

4. А.с. 721870 (СССР) Радиатор. /Сеферовский В.Н./ БИ N 10, 1980.

5. Лукишкер Э. М., Вайнер А.Л. Эффективность термоэлектрических интенсификаторов теплообмена. - Вопросы радиоэлектроники, сер. ТРТО, 1978, N 1, с. 86-90.

Формула изобретения

1. Термоэлектрический интенсификатор теплопередачи преимущественно для отвода тепла от импульсных источников и элементов радиоэлектроники большой мощности, содержащий батарею термоэлектрических модулей, электрически связанную с установленным на охлаждаемом элементе термодатчиком и блоком автоматического регулирования температуры, и теплообменник, отличающийся тем, что дополнительно содержит тепловой демпфер, выполненный из высокотеплопроводного материала в виде многогранника, на малом основании которого выполнена площадка для установки в тепловом контакте охлаждаемого элемента, а к большему основанию которого присоединены "холодные" спаи батареи термоэлектрических модулей, снабженной на "горячих" спаях теплообменником.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что батарея термоэлектрических модулей выполнена из компактных электрически последовательно соединенных групп термоэлектрических модулей, которые в каждой группе соединены между собой электрически параллельно.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что батарею термоэлектрических модулей выполняют в виде каскадов, в которых "горячие" спаи первого каскада присоединяют к "холодным" спаям второго каскада и так далее, при этом количество каскадов зависит от величины отводимой мощности, рассеиваемой в окружающую среду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3