Источниками тепла в РЭА являются различные устройства и отдельные детали электрическая энергия, потребляемая радиодеталями, преобразуется в них в различные виды энергии: электромагнитную, механическую, тепловую, часть преобразованной энергии выходит за их пределы и за пределы устройств в виде энергии полезных сигналов, а вся остальная энергия преобразуется в тепло. Элементы и механические части конструкций РЭА могут нормально функционировать в ограниченном температурном режиме, т.е. обладают ограниченной теплостойкостью.

Теплостойкость — это способность материалов и элементов кратковременно или длительно выдерживать воздействия высоких и низких температур, а также резких изменений температуры (термоударов). Термостойкость определяют по началу существенных изменений свойств элементов и материалов или параметров обусловленных различными физико-химическими процессами.

Совокупность температур всех элементов, из которых состоит аппаратура, т.е. тепловое поле электрического аппарата характеризует тепловой режим устройства. Все элементы из которых собрано устройство должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если выполняются 2 условия:

a) температура элемента в условиях эксплуатации заключена в пределах ограничивающих диапазон температур допустимых для данного элемента.

b) температура элемента такова, что будет обеспечена его работа с заданной надежностью.

Существенное влияние на процесс теплообмена оказывает конструкция их корпусов. Всевозможные конструкции корпусов можно разделить на герметичные, вентилируемые, и снабженные специальным теплообменником.

Одним из основных в теории тепловых режимов является понятие о нагретой зоне аппарата. Нагретой зоной аппарата называют часть объема аппарата занятого шасси или платами и смонтированными на них элементами.

Система охлаждения в РЭА по способам делятся на: воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные.

a) Воздушные — такие системы охлаждения, в которых в качестве теплоносителя используется воздух. Они разделяются на естественно и принудительно вентилируемые.

b) Жидкостные — такие системы охлаждения, в которых теплоносителем являются различные капельные жидкости, доведенные до кипения.

c) Испарительными называются системы, в которых используются кипящие жидкости.

d) При кондуктивной системе охлаждения отход тепла от нагретых частей осуществляется за счет теплопроводности материала.

e) В комбинированных системах могут применяться различные сочетания рассмотренных систем.

Выберем для данного устройства перфорированный корпус с круглыми отверстиями в крышке и дне корпуса. Радиус отверстий примем равным r=2*10^-3м, а их число равняется по N=200 на каждую сторону. В шасси проделаем N=150 отверстий радиусом r=2*10^-3м.

При таком корпусе имеет место естественная вентиляция, поэтому для теплового расчета применим методы расчета при естественной вентиляции.

l₁=0.075м, l₂=0.125м — геометрические размеры печатной платы;

L₁=0.159м, L₂=0.130м, h=0.120м — геометрические размеры корпуса;

U=45V — напряжение питания.

I_п=200mA. — ток покоя

t_с = 20°С — температура окружающей среды.

Необходимо найти среднюю поверхностную температуру нагретой зоны и среднюю поверхностную температуру корпуса.

t_з (средняя поверхностная температура нагретой зоны) и t_к (средняя поверхностная температура корпуса) можно найти по формулам:

t_з =t_с+ V_з [град]

t_к =t_c+ V_к [град] (1)

Где V_з — средний поверхностный перегрев нагретой зоны, а V_к — средний поверхностный перегрев корпуса. V_з и V_к найдем, используя выражения:

V_з=F_зс*P [град]

V_к=F_кс*P[град] (2)

Где F_зс и F_кс находим из системы уравнений:

(3)

(4)

Для решения системы (3)(4)найдем следующие величины:

· S_зл— площадь излучающей поверхности

(5)

где h₃ — это высота нагретой зоны, которую найдем из выражения:

; (6)

где K_зап — коэффициент заполнения объема аппарата, который найдем из выражения:

(7)

где V_д — это суммарный объем всех деталей на шасси и печатной плате, а V_ап — объем аппарата.

Найдем суммарный объем всех деталей на шасси и печатной плате, просуммировав справочные объемы всех деталей на печатной плате. В итоге получим V_д = 2,39*10^-4м³

Найдем объем аппарата:

= 0,159*0,130*0,120 =2,48 *10^{-3 м3}

Определим коэффициент заполнения объема аппарата по (7) 9,6% » 10%

Определим высоту нагретой зоны по (6): h_з=0,012м

Определим площадь излучающей поверхности из (5): S_зл=0,0235 м²

· Sзв- площадь нагретой зоны аппарата как суммарную площадь деталей аппарата на шасси на которую они установлены Sзв=0,0267 м²

· W — тепловая проводимость между внутренним воздухом в аппарате и наружным воздухом за аппаратом. Определим W из выражения:

(8)

где: С_р — удельная теплоемкость воздуха, а G_r — массовый расход охлаждающего воздуха через аппарат при сухом воздухе и нормальном давлении.

В диапазоне температуры между -20 до +60 °С С_р практически не зависит от температуры и равна 103Дж/(кг*град).

При сухом воздухе, нормальном давлении и g=9.81м/сек² получаем:

(9)

где: h — среднее расстояние между входными и выходными отверстиями в корпусе.

Собственно расход воздуха через аппарат R — определяется по формуле:

(10)

где F_вх, F_вых — площадь входных и выходных отверстий, F_ш — площадь отверстий в шасси, — площадь поперечного сечения аппарата, не занятая деталями. можно найти из соотношения:

(11)

Площадь входных и выходных отверстий определим по формуле:

(12)

Площадь отверстий в шасси определим по формуле:

(13)

S_к — площадь поверхности корпуса найдем по формуле:

(14)

Определим площадь входных и выходных отверстий по (12)

F_вх=F_вых= 200*3.14*(2*10^-3)² =2,5*10-3 м²

Определим площадь отверстий в шасси по (13)

F_ш = 150*3.14*(2*10^-3)² =1,88*10-3 м²

Определим площадь поперечного сечения аппарата, не занятую деталями по (11)

м²

Определим площадь поверхности корпуса по (14):

м²

Определим расход воздуха через аппарат:

R=7.272*10⁵ м^-4

Определим тепловую проводимость между внутренним воздухом в аппарате и наружным воздухом за аппаратом по (9) и (8)

W=0.552(Вт/град)

· Определим величины Fзс и Fкс используя (3)(4):

F_зс = 2,739 [Вт/град]

F_кс =0.334 [Вт/град]

Мощность, выделяемую устройством найдем по формуле:

[Вт]

P=9[Вт]

Определим величины V_з и V_к — используя (2):

V_з=24.651[град]

V_к=3.006[град]

Определим температуру нагретой зоны и температуру корпуса используя (1):

t_з =44.651 [град]

t_к =23.006 [град]

Температуру воздуха можно определить, как среднее арифметическое между температурой нагретой зоны и температурой корпуса.

t_в = (t_з + t_к)/2 (15)

t_в = 34,1 [град]

Рассмотрим максимально допустимые температуры для элементов (таблица № 1 приложение 1). Из нее видно, что все элементы работают в нормальном тепловом режиме, это достигается за счет естественной вентиляции, которая обеспечивает отвод нагретого воздуха от рабочих элементов устройства через перфорацию в корпусе.