Система термостабилизации в приемо-передающей аппаратуре
Применение двухконтурной системы термостабилизации приемо-передающей аппаратуры, основанной на жидкостном и испарительно-конденсационном методах охлаждениях. Структурная схема отвода тепла двухконтурной СТС бортовой АФАР. Уменьшение массогабаритов.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.05.2017 |
Размер файла | 623,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Система термостабилизации в приемо-передающей аппаратуре
Л.В. Глазунова
Введение
Приемо-передающая аппаратура входит в состав активной фазированной антенной решетки (АФАР). Увеличение мощностей АФАР при общей тенденции уменьшения массогабаритных характеристик требует внедрения новых конструктивно-технологических решений, направленных на стабильную работу устройств. Важным фактором в обеспечении заданных электрических параметров АФАР является поддержание температуры приемо-передающей аппаратуры в диапазоне 0…70 ?С. При этом необходимо учесть, что работу системы термостабилизации серьёзно усложняет высокая плотность упаковки элементов AФAР, сопряжённая с эксплуатацией устройства при пониженном атмосферном давлении (до 0,2 атм.) и высокой амплитудой колебания температуры окружающего воздуха (-50…+65?С).
Технология АФАР имеет одну ключевую проблему. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45 %. В результате АФАР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в авиатехнике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов АФАР, в результате чего современные АФАР охлаждаются жидкостью [1]. Однако труднодоступное расположение тепловыделяющих элементов внутри герметизированных модулей вызывает сложность в обеспечении подачи жидкости к тепловыделяющему элементу и организации подключения трубопровода модуля к магистрали СТС. Кроме этого, в случае отказа блока невозможно оперативно выполнить его замену из-за необходимости остановки функционирования СТС и отключения её от модуля. Существует вероятность попадания охлаждающей жидкости на аппаратуру, что может привести к выходу ее из строя. Поэтому применена двухконтурная система термостабилизации приемо-передающей аппаратуры, основанной на жидкостном и испарительно-конденсационном методах охлаждениях. Принцип работы системы изображен на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема отвода тепла двухконтурной СТС бортовой АФАР
Целью работы является разработка нового эффективного способа термостабилизации приемо-передающей аппаратуры наряду с повышением технологичности обслуживания АФАР и уменьшением массогабаритных характеристик.
Конструкция двухконтурной СТС приемо-передающей аппаратуры.
АФАР включает более 500 приемоизлучающих модулей, аппаратуру обработки сигнала и систему электропитания. АФАР имеет 4500 теплонагруженных элементов по 10-20 Вт каждый.
Тепловые трубы (ТТ), образующие испарительно-конденсационный контур модулей, соединяют пространственно разделенные источник теплоты (сверхмощные транзисторы) и сток теплоты (холодную плиту, прилегающую к радиатору жидкостного охлаждения), а также электрически изолирует корпус от транзисторов с помощью компаунда и лакового покрытия поверхности ТТ без компаунда [2]. Жидкость ОЖ-65 является диэлектриком. Так, с помощью тепловых трубок, встроенных в корпус модулей, исключена возможность утечки охлаждающей жидкостной в блоке.
В процессе разработки первого контура было учтено, что тепловая мощность от источников тепла должна отводиться при наименьшем переходном сопротивлении с температурным градиентом не менее 15 ?С. Конструкция блоков и модулей спроектирована так, что зоны испарения и конденсации тепловых труб составляют 4-5 см 2 каждая. Для минимизации зазора между тепловыделяющими элементами и тепловыми трубами, а также уменьшения теплового сопротивления их сопрягаемые поверхности обработаны тонким слоем термопроводящей пасты (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Приемо-передающий модуль
(а - объемная модель; б - изготовленный модуль)
Расчет и проектирование. По результатам тепловых расчетов, проведенных автором на основе методики, описанной в [3], и в ходе испытаний макета модуля установлено, что в зоне охлаждения отвод тепла неэффективен (градиент температур более 20 ?С) из-за недостаточного контакта корпуса модуля и тепловых труб, уложенных в фрезерованный канал (рис. 2, а), и большим тепловым сопротивлением на участке между охлаждаемой панелью макета и радиатором СТС, более 0,1 К/Вт. Для устранения вышеперечисленных недостатков в конструкцию блока включена дополнительная панель 1 на рис. 5б, что уменьшило тепловое сопротивление до 0,05 К/Вт и градиент температур до 15?С.
Особенностью второго контура является решение совместной задачи теплообмена и гидравлического сопротивления с нахождением их характеристик. Также решается вопрос о технологичности конструкции и удобства в эксплуатации. Расположение штуцеров для входа и выхода охлаждающей жидкости выполнено в нижней части радиатора СТС, что исключает попадание жидкости на аппаратуру.
СТС спроектирована так, что тепло, переданное тепловыми трубами, от охлаждаемой панели передается на радиатор СТС и отводится охлаждающей жидкостью, циркулирующей по П-образному каналу. Тепловой поток второго контура можно рассчитать по формуле [4]:
, (1)
где - коэффициент теплообмена, Вт/(м К); - критерий Пекле, являющийся мерой отношения конвективного и молекулярного переноса тепла в потоке жидкости; - критерий Рейнольдса, характеризующий скорость и режим течения жидкости; - критерий Прандтля, характеризующий физические свойства среды; - критерий Грасгофа, характеризующий соотношение подъемной и вязкой сил при свободной конвекции в потоке жидкости; - площадь поверхности теплообмена, м 2; - перепад температур между изотермическими поверхностями, ?С.
По формуле (1) тепловой поток зависит от многих факторов. Из-за эксплуатационных и технологических ограничений можно варьировать только скоростью охлаждающей жидкости и площадью теплосъема.
Рис. 3. Радиатор СТС АФАР
Для увеличения теплообмена необходимо уменьшить толщину ламинарного слоя или исключить его. Поэтому радиаторы спроектированы так, что потоки жидкости, попадающие в выборки (рис. 3), меняют направление движения по нормали к поверхности, перемешивая пограничный турбулентный слой с ламинарным. Кроме того, геометрия канала не усложняет процесс изготовления, что позволяет производить обработку одним инструментом, с минимальным количеством операций, повышая общую технологичность деталей.
Решая совместную задачу теплообмена и гидравлического сопротивления [5], получим следующие характеристики: для отведения радиатором СТС тепловой мощности до 2500 Вт гидравлические потери в канале не должны превышать 0,2 МПа. Гидравлическое сопротивление определяется условиями движения охлаждающей жидкости и особенностями конструкции радиаторов СТС (см. рис. 3). По результатам расчетов и испытаний сопротивление радиаторов СТС на 30 блоков равно 0,02 МПа, а на 32 блока - 0,03 МПа, что не превышает допустимые значения, при этом температура в модулях не превышает 70 ?С.
Площадь поверхности теплообмена радиатора на 30 блоков за счет добавления ребер охлаждения увеличилась с 0,229 м 2 до 0,437 м 2; на 32 блока - с 0,273 м 2 до 0,503 м 2. В АФАР входит два радиатора СТС на 30 блоков и один - на 32 блока. Таким образом, теплоотвод стал эффективнее на 42%. термостабилизация двухконтурный охлаждение
Общий вид фрагмента АФАР с двухконтурной СТС представлен на рис. 4.
Рис. 4. Испытание фрагмента АФАР
(слева - вид спереди, справа - вид сзади)
Эксперимент.
Для заключения об эффективности принятых конструктивно-технологических решений проведены испытания фрагмента АФАР. Автором разработаны методика и программа испытаний и стенд "Система жидкостного охлаждения", который имитирует работу реальной системы термостабилизации АФАР (см. рис. 4, слева). Принципиальная схема стенда изображена на рис. 5. Получены следующие значения: при температуре жидкости 25±1 ?С, расходе 25 л/мин, гидравлическое сопротивление равно радиаторов СТС на 30 блоков равно 0,02 МПа, а на 32 блока - 0,03 МПа, при этом температура в модулях не превышает 80 ?С.
Сравнивая результаты расчетов и эксперимента, получены различия в температурах блока. Это, скорей всего, является следствием недостаточно точного моделирования условий контакта или технологических недостатков: большей шероховатости и зазора между сопрягаемыми контактами. Тем не менее, полученные значения температур не превышают допустимые по техническому заданию.
Рис. 5. Стенд для испытаний "Система жидкостного охлаждения"
Выводы
1. Ряд конструктивно-технологических преимуществ перед аналогами СТС с жидкостным охлаждением: разработанная СТС является эффективным теплоотводом и обладает диэлектрическими свойствами. Применение разработанной системы позволяет: охлаждать бортовую аппаратуру, эксплуатирующуюся в суровых климатических условиях, при пониженном атмосферном давлении; уменьшить массу на 30%, сократить габариты блоков; повысить ремонтопригодность и обслуживание АФАР.
2. Проведенные расчеты и испытания в части гидравлического сопротивления и охлаждения фрагмента АФАР с использованием имитатора системы жидкостного охлаждения, позволяют утверждать, что применение двухконтурной системы термостабилизации, основанной на испарительно-конденсационном и жидкостном методах охлаждения, является эффективным способом отвода тепла.
Литература
1. И.В. Глушицкий, И.И. Зайченко, Л.М. Лапин, В.Ф. Холодов. Проблемы отвода тепла в элементах активных антенных решеток. ЇНаукоемкие технологии, 2005, т. 6, № 2.
2. John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V. A heat transfer textbook. Ї 3rd. ed. Ї Cambridge, MA: Phlogiston Press, c2003. Ї p.760.
3. А.Н. Соловьев, Л.В. Глазунова. Моделирование процесса охлаждения РЭА в SolidWorks // Вестник ДГТУ, 2010. Ї Т.10 №4 (47) Ї С. 446-473.
4. И.Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Ї М., "Машиностроение", 1995. Ї 559 с.
5. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела / Л.П. Холпанов, В.Я. Шкадов. Ї М.: Наука. Ї 1990. Ї 271 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Создание высоконадежной, экономичной и малогабаритной приемо-передающей аппаратуры. Расчет параметров устройств передатчика, электронного режима генератора и колебательной системы. Осуществление частотной модуляции. Расчет параметров усилителя.
контрольная работа [332,0 K], добавлен 24.09.2011Проект и расчет бортовой спутниковой передающей антенны системы ретрансляции телевизионных сигналов. Определение параметров облучателя. Распределение амплитуды поля в апертуре антенны. Аппроксимирующая функция. Защита облучателя от отражённой волны.
контрольная работа [455,0 K], добавлен 04.06.2014Предназначение передающей системы: формирование радиочастотного зондирующего импульса с заданными характеристиками. Определение рабочей частоты передатчика, его достоинства и недостатки. Обеспечение необходимого усиления. Устройство передающей системы.
лекция [454,9 K], добавлен 30.08.2009Модуль записи и воспроизведения, интерфейсов, микшера. Акустическая система, методы сжатия и обработки звуковой информации. Структурная схема приемо-передающего устройства для беспроводной передачи сигнала. Принцип действия и применение устройства.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 20.05.2013Расчёт параметров усилителя, анализ различных схем термостабилизации. Характеристика эквивалентных моделей транзистора. Параметры схемы Джиаколетто. Определение эмиттерной коррекции, схемы термостабилизации. Расчет результирующего коэффициента усиления.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 25.04.2015Замкнутые, разомкнутые и каскадные автоматические системы управления. Назначение основных подсистем АСУ. Технологические защиты и блокировки. Основные составляющие технического и экономического эффекта внедрения АСУ. Переходные процессы двухконтурной САР.
курсовая работа [945,7 K], добавлен 09.04.2012Анализ и синтез линейных двухконтурных систем автоматического регулирования (САР), построенных по принципу систем подчинённого регулирования с последовательной коррекцией. Составление схемы оптимальной двухконтурной статической и астатической САР.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 11.12.2013Разработка канала радиосвязи метрового диапазона, его передающей и приемной части. Предварительный расчет параметров передающей и приемной частей каналов. Функциональная схема радиоприемной его части, расчет наземного затухания напряженности поля.
контрольная работа [121,2 K], добавлен 03.03.2014Выбор и расчет параметров функциональных схем приемной и передающей частей канала. Расчет усилителя мощности радиочастоты. Y-параметры для каскадного включения транзисторов. Расчет режима автогенератора. Принципиальная схема передающей части канала.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 12.02.2013Основные технические характеристики системы. Структурная схема передающей команды радиолинии. Контур управления, его анализ. Разработка функциональной схемы радиолинии, принципиальной схемы системы тактовой синхронизации. Конструкция бортового приемника
курсовая работа [278,0 K], добавлен 07.02.2011