устройство для тепловой защиты электронных модулей в аварийных условиях

Формула изобретения

1. Устройство для тепловой защиты электронных модулей в аварийных условиях, содержащее металлический защитный корпус и расположенные внутри него последовательно слой теплоизолирующего материала и теплопоглощающий слой из органического воскоподобного материала, со всех сторон охватывающий защищаемый электронный модуль, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено слоем вспучивающегося при нагревании материала, нанесенным снаружи на защитный корпус, а теплопоглощающий слой выполнен из материала, выбранного из группы: жирные кислоты, или смесь жирных кислот, или парафины, или природные воски, или нафталин, с температурой плавления в интервале 60-90°С.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен из стеариновой кислоты.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен из пальмитиновой кислоты.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен из смеси стеариновой и пальмитиновой кислот.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен из парафина.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен из озокерита.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен из пчелиного воска.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой помещен в гибкую замкнутую оболочку из полимерного материала.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой выполнен составным по меньшей мере из двух разъемных частей, каждая из которых помещена в гибкую замкнутую оболочку.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гибкая оболочка выполнена из полимерного материала с температурой плавления не ниже 160°С.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопоглощающий слой размещен вокруг электронного модуля с зазором.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве теплоизолирующего материала использован тканый ковровый материал из кремнеземных волокон.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой вспучивающегося при нагревании материала выполнен в виде вспучивающегося покрытия с температурой начала вспучивания 100-140°С и кратностью вспучивания 10-40.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники, а точнее к защитным корпусам электронных носителей информации, и может быть использовано для обеспечения рабочего теплового режима электронных элементов бортовых регистраторов информации летательных аппаратов и других транспортных средств в аварийных ситуациях, в том числе в условиях пожара, при воздействии сред с повышенной температурой и давлением, при импульсном огневом воздействии.

Известно устройство тепло- и ударозащищенного регистратора данных, содержащее внешний и внутренний контейнер, в полости между которыми размещается эндотермический изоляционный материал, выделяющий пар. Во внутреннем контейнере также находится эндотермическое вещество, претерпевающее фазовые превращения и способное вытекать во внешнюю полость. В конструкции предусмотрены пробки из плавкого материала, которые под действием высокой температуры расплавляются, что позволяет пару выходить наружу (см. патент США №5708565, Н05К 7/20, Н05К 5/04, опубл. 13.01.98 г.).

Указанное устройство не обеспечивает нормальный тепловой режим электронных компонентов при погружении в воду на глубину более 200 м, так как температура фазового перехода "вода-пар" существенно зависит от внешнего давления. Так, при давлении 2 МПа (200 метров водяного столба) температура фазового перехода составляет 120°С, при 10 МПа - 180°С и при 20 МПа - 212°С, а предельно допустимая рабочая температура большинства электронных компонентов не может превышать 100-120°С. Иначе говоря, эффективность применения указанного устройства при повышении давления уменьшается, т.к. удельная скрытая теплота фазового перехода уменьшается с 2.26 МДж/кг при 100°С до 1,86 МДж/кг при 220°С.

К тому же при температурах ниже 0°С указанное устройство подвержено разрушению вследствие образования льда из содержащейся в нем воды.

Известно устройство для тепловой защиты электронных модулей, содержащее внешний корпус, теплоотражающий кожух, разделяющий пространство внутри корпуса на два отсека, заполненных теплозащитными смесями, которые при нагреве разлагаются с выделением газообразных продуктов и поглощением тепла (см. патент РФ №2236099, Н05К 7/20, Н05К 5/02, Н05К 5/06, опубл. 20.03.2004 г.). В качестве теплозащитных смесей в этом устройстве используют смеси кристаллогидратов карбоната натрия и гидрофосфата натрия, а также кристаллогидратов карбоната натрия и пентаэритритбората натрия.

Указанное устройство, как и предыдущее, тоже не обеспечивает нормальный тепловой режим электронных компонентов, особенно при погружении в воду на большую глубину, из-за зависимости температуры фазового перехода от внешнего давления. Кроме того, эффективность указанного устройства при повышении давления существенно снижается, т.к. уменьшается удельная скрытая теплота фазового перехода.

Известно также устройство для защиты схем памяти регистратора данных в аварийных условиях, содержащее внешний и внутренний контейнеры, в которых размещаются теплоизолирующие и теплопоглощающие материалы. Внутри внешнего контейнера расположен пакет теплозащиты, состоящий из слоя вспучивающегося при нагревании материала, теплоизолирующей прокладки и металлического слоя, а сам внешний контейнер выполнен из металла, расплавляющегося при пожаре (см. патент РФ №2220076, B64D 45/00, Н05К 5/04, Н05К 7/20, опубл. 27.12.2003 г.).

Поскольку поглощение тепла в этом устройстве, так же как и в предыдущих, осуществляется за счет фазового перехода "вода-пар", максимальная температура защищаемого электронного блока внутри устройства обеспечивается на уровне 100-110°С, что требует применения электроники особой конструкции, малочувствительной к повышению температуры. К тому же необратимость перехода теплопоглощающих материалов в газообразное состояние приводит к невозможности защиты накопителей информации при повторном воздействии сред с повышенной температурой.

Кроме того, хотя в этом устройстве предусмотрены средства для герметизации корпуса с целью защиты при падении в воду на большую глубину, они не обеспечивают при этом одновременно и тепловую защиту. Для предотвращения чрезмерного повышения давления внутри корпуса в устройстве выполнены отверстия для выпуска газа и уравнивания наружного и внутреннего давления, закрытые легкоплавким материалом. При более высоком наружном давлении наличие подобных отверстий, напротив, приведет к повышению давления внутри, а при попадании устройства в агрессивную среду возможно проникновение повреждающих носители информации веществ внутрь корпуса.

С другой стороны, любое нарушение целостности корпуса (даже за счет специальных средств, установленных в корпусе) ведет к ухудшению надежности его теплозащитных свойств, а выделение в результате эндотермической реакции углекислого газа и паров воды может привести к образованию, например, угольной кислоты, воздействие которой на металлические поверхности корпуса и кожуха может вызвать их корродирование и разгерметизацию.

Указанное устройство также не обеспечивает отвод выделяющейся в электронной схеме теплоты при высокой температуре среды, что делает невозможным работу бортового регистратора в процессе аварии и после нее. Кроме того, защиту от ударов и повышенного давления в устройстве обеспечивают теплозащитные материалы и корпус, которые при пожаре разлагаются. Если же устройство попадет в среду с повышенным давлением или испытает сильный удар уже после воздействия пожара, то электронные схемы могут оказаться недостаточно защищенными.

Все перечисленные факторы отрицательно влияют на надежность и эффективность тепловой и механической защиты электронных модулей внутри известного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для изоляции электронных блоков от ударного и теплового воздействия окружающей среды, содержащее наружную металлическую оболочку (корпус), окружающую защищаемое электронное устройство. Между внутренней поверхностью корпуса и электронным устройством последовательно размещены теплоизолирующий слой, слой воскоподобного материала с высокой теплотой плавления, испытывающий фазовое превращение, и слой упругого резиноподобного материала, амортизирующего механические удары, со всех сторон охватывающий плату с электронными элементами. При нагреве воскоподобный материал плавится, поглощая избыточную теплоту. От расплавленной массы материала электронные элементы отделены герметично покрывающим их слоем резиноподобного материала, который получают в процессе сборки устройства. Для этого полость вокруг электронного устройства заполняют этим материалом в гелеобразном состоянии, а затем подвергают его вулканизации (см. патент США №5438162, H01L 23/28, опубл. 01.08.95 г.).

В указанном устройстве теплоизолирующий слой выполнен составным из двух частей, плотно прилегающих друг к другу, на внутренней стороне каждой из которых имеется углубление. В образовавшейся при этом полости размещается заранее сформированный слой воскоподобного материала, также состоящий из двух частей и выполненный из синтетических органических восков амидного типа или твердого раствора пентаэритритола. Температура возгорания одного из таких предлагаемых для использования материалов под торговым названием Acrawax HM23 составляет 277°С, а температура его плавления - 140°С. У другого материала (Acrawax С) температура возгорания 271°С, температура плавления - 120°С. Для пентаэритритола температура плавления составляет 258-260°С, а температура фазового перехода в твердом состоянии - 184-185°С. Учитывая, что упругий слой, размещенный внутри полости в слое воскоподобного материала, согласно изобретению, выполнен из силиконовой резины и имеет теплопроводность, сходную с теплопроводностью воскоподобного материала, очевидно, что температура вокруг защищаемого электронного устройства не может быть ниже 120°С, что превышает предельно допустимую рабочую температуру большинства электронных регистраторов данных (около 100-110°С).

Указанное устройство тем более не может обеспечить нормальный тепловой режим электронных компонентов при наличии в них значительных внутренних выделений теплоты во время внешнего аварийного температурного воздействия, так как внутренний слой амортизирующего материала герметично охватывает электронное устройство и тем самым препятствует поглощению его тепловыделений плавящимся веществом.

Указанное устройство не обеспечивает также и надежной защиты электронных плат от ударных и проникающих воздействий, в особенности после и во время пожара, так как прочностные свойства металлического корпуса ухудшаются при воздействии на него высоких температур. Например, конструкции, изготовленные из недорогих титановых сплавов, как в известном устройстве, существенно не изменяют своих прочностных свойств лишь до достижения ими температуры 500-600°С, а при 800°С их прочность уменьшается в 1,5-2 раза по сравнению с прочностью при 20°С. В то же время температура наружной поверхности устройства при пожаре достигает практически 800-1000°С.

Кроме того, в известном устройстве при выходе из строя отдельного элемента электронного устройства необходимо производить замену всей платы целиком, поскольку она покрыта сверху цельным слоем амортизирующего материала, снять который (отшелушить, как следует из описания) без нарушения целостности электронных микросхем и контактных связей между ними представляется весьма затруднительным, что существенно снижает ремонтопригодность всего устройства.

Изобретение решает задачу повышения эффективности и надежности тепловой защиты электронных модулей при аварийных воздействиях различного характера за счет снижения максимальной температуры внутри защитного корпуса при работе в аварийных условиях и обеспечения отвода внутренних тепловыделений накопителя информации при работе в нормальных условиях, а также повышения ремонтопригодности устройства в целом.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что устройство для тепловой защиты электронных модулей в аварийных условиях, содержащее металлический защитный корпус с расположенными внутри него последовательно слоем теплоизолирующего материала и слоем теплопоглощающего органического воскоподобного материала, окружающим защищаемый электронный модуль, дополнительно снабжено слоем вспучивающегося при нагревании материала, нанесенным снаружи на защитный корпус, а слой теплопоглощающего материала представляет собой вещество из группы: жирные кислоты, или смесь жирных кислот, или парафины, или природные воски, или нафталин, с температурой плавления в интервале 60-90°С.

При этом в качестве теплопоглощающего материала может быть использована стеариновая кислота, или пальмитиновая кислота, или смесь стеариновой и пальмитиновой кислот, или нафталин, или парафин, или озокерит, или пчелиный воск. Поглощающий тепло материал расплавляется с поглощением теплоты, а при последующем охлаждении опять возвращается в твердое состояние.

Для упрощения доступа к электронному модулю памяти при ремонте и для обеспечения возможности расширения теплопоглощающего слоя при увеличении температуры во время аварии между теплопоглощающим слоем и этим модулем образован воздушный зазор, а материал теплопоглощающего слоя помещен в гибкую замкнутую оболочку из полимерного материала, имеющего температуру плавления не ниже 160°С.

Кроме того, для повышения ремонтопригодности устройства теплопоглощающий слой может быть выполнен составным по меньшей мере из двух разъемных частей, каждая из которых помещена в гибкую замкнутую оболочку.

В качестве теплоизолирующего материала использован тканый ковровый материал из кремнеземных волокон, а слой вспучивающегося при нагревании материала выполнен в виде вспучивающегося покрытия с температурой начала вспучивания 100-140°С и кратностью вспучивания 10-40.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен поперечный разрез конструкции устройства для тепловой защиты электронных модулей; на фиг.2 - его продольный разрез; на фиг.3 - график изменения температуры внутри полости с носителями информации при различных аварийных воздействиях и последующем охлаждении.

Устройство содержит защитный металлический корпус 1, изготовленный, например, из стали 30 ХГСА, способной сохранять свои защитные функции при пожаре. Форма корпуса 1 может быть различной, в том числе в виде параллелепипеда, куба или шара, однако в предпочтительном варианте исполнения она выполнена цилиндрической, что является наиболее оптимальным с точки зрения технологичности изготовления и минимизации теплового потока, попадающего внутрь защищаемого объема при аварии. Известно, что суммарный тепловой поток при заданной температуре тем меньше, чем меньше площадь поверхности. Исходя из этого наилучшей формой корпуса является шар, а наихудшей - параллелепипед, но сложность изготовления сферических оболочек намного выше, чем для цилиндра и параллелепипеда. Толщина корпуса может составлять 25-40 мм в зависимости от конструкторских и эксплуатационных требований к устройству.

На поверхность корпуса нанесен вспучивающийся при нагреве материал 2 с температурой начала вспучивания 100-140°С и кратностью вспучивания 10-40. В качестве такого материала могут быть использованы, например, огнезащитный вспучивающийся состав на основе вермикулита ОВС "Рубеж-В" (температура начала вспучивания 120-140°С, кратность вспучивания равна 40), разработанный и изготовляемый НИИ спецматериалов (Санкт-Петербург), или огнезащитное вспучивающееся кабельное покрытие ОВКП-2 по ТУ 1568-001-12439-149-93 (температура начала вспучивания около 100-110°С, кратность вспучивания - в 10 раз). Экспериментально установлено, что оптимальная толщина такого покрытия должна быть не менее 1,8-2 мм для первого и 3,0-3,5 мм для второго.

С внутренней стороны корпуса 1 размещен слой 3 теплоизолирующего материала, способного выдерживать температуры до 1000°С; в качестве материала этого слоя может быть использован, например, тканый ковровый материал из кремнеземных волокон, разработанный ФГУП "ЦНИИ материалов" (Санкт-Петербург), теплопроводность которого составляет 0,05-0,1 Вт/(м·К), или другой тканый волокнистый материал с аналогичными тепловыми характеристиками. Толщина этого слоя выбирается в зависимости от тепловых характеристик материала и заданных габаритных показателей устройства.

К внутренней поверхности теплоизолирующего слоя 3 прилегает теплопоглощающий слой 4 из органического воскоподобного материала, имеющего температуру плавления в интервале 60-90°С. В качестве такого материала могут быть использованы такие вещества, как жирные кислоты (например, стеариновая или пальмитиновая кислоты), или стеарин, представляющий собой их смесь, или парафин, или нафталин, или озокерит, пчелиный воск и т.п.

В частности, стеариновая кислота общей формулы С₁₇Н₃₅СООН имеет температуру плавления в пределах 69,2-70°С, а теплота ее плавления, то есть количество теплоты, которое способна поглотить единица массы поглощающего вещества, составляет 150-210 кДж/кг. Температура плавления пальмитиновой кислоты общей формулы C ₁₅H₃₁COOH составляет 62,5-64°С, стеарин имеет температуру плавления 65-70°С, а нафталин - 80°С. Смесь предельных углеводородов с общей химической формулой С_nН_2n, где n - целое число от 18 до 35, называемая парафином, также применима в качестве поглощающего тепло материала, если температура плавления смеси выше 60°С. Могут быть использованы и природные воски, такие как озокерит (температура плавления 65-100°С), пчелиный воск с температурой плавления 62-70°С и др. Указанные вещества предназначены для поглощения теплоты при повышении температуры выше их температуры плавления и выделения накопленной теплоты при понижении температуры.

Выбор диапазона температур плавления теплопоглощающих материалов от 60 до 90°С обусловлен, с одной стороны, необходимостью снижения максимальной температуры внутри защитного корпуса при работе в аварийных условиях не выше 90°С, а с другой стороны - необходимостью того, чтобы теплопоглощающий материал оставался в твердом состоянии, когда электронные модули работают при нормальных условиях. В нормальных условиях выделения теплоты в электронных модулях памяти приводят к перегреву теплопоглощающего вещества не более чем на 15°С, что для температуры окружающей среды 45°С дает максимальную температуру теплопоглощающего вещества в нормальных условиях работы, не превышающую 60°С, следовательно, температура плавления теплопоглощающего вещества не должна быть ниже нее.

Теплопоглощающий слой 4 помещен в гибкую замкнутую оболочку 5 и размещен таким образом, что со всех сторон охватывает защищаемый электронный модуль 6.

Гибкая оболочка 5 выполнена из полимерного материала с температурой плавления не ниже 160-200°С, например из пленки полиэтилентерефталатной по ГОСТ 24234-80, или пленки полипропиленовой по ТУ 2245-001-05801845 производства ОАО "НОВАТЭК-ПОЛИМЕР" (г.Новокуйбышевск). Толщина пленки при этом оптимально может составлять не более 100 мкм, чтобы не увеличивать существенно толщину теплопоглощающего слоя, и в то же время надежно удерживать расплавленный под воздействием повышенной температуры материал слоя, обеспечивая плотное его прилегание к защищаемому электронному модулю.

Практически гибкая оболочка 5 может быть выполнена в виде емкости с полостью внутри, заполненной поглощающим тепло материалом, причем наружная поверхность емкости одной стороной охватывает электронный модуль 6, а другой стороной прилегает к внутренней поверхности слоя 3 теплоизолирующего материала. В варианте исполнения для металлического корпуса цилиндрической формы эта емкость может быть выполнена, например, из двух труб из полимерного материала, вставленных одна в другую, края которых заварены на торцах или соединены кольцевыми донцами. Материал теплопоглощающего слоя 4 заранее (перед установкой) формуется соответствующим форме углубления в слое 3 теплоизолирующего материала. Слой поглощающего тепло материала во всех точках тела должен быть не менее 1 см.

Для повышения технологичности изготовления и ремонтопригодности устройства теплопоглощающий слой может быть выполнен составным по меньшей мере из двух разъемных частей, каждая из которых помещена в гибкую замкнутую оболочку. Для случая цилиндрического корпуса, например, с торцов цилиндрической части теплопоглощающего слоя 4 устанавливаются еще две плоские части 7 и 8, каждая из которых имеет форму объемного диска (фиг.2).

В другом варианте изготовления теплопоглощающий слой 4 может быть выполнен в виде набора колец из соответствующего материала, плотно прилегающих друг к другу боковыми поверхностями, либо в виде набора сегментов полого цилиндра (на чертеже не показано), либо иного набора составных частей.

Для того чтобы обеспечить возможность теплового расширения теплопоглощающего слоя 4 при повышении его температуры, а также для обеспечения простого изъятия электронного модуля 6 для ремонта, между теплопоглощающим слоем 4 и этим модулем образован воздушный зазор 9. Толщина зазора выбирается в зависимости от коэффициента теплового расширения теплопоглощающего материала так, чтобы при максимальной возможной степени расширения теплопоглощающего слоя 4 он плотно прилегал к электронным модулям 6, и практически составляет 0,2-1 мм.

Тепловая защита электронных модулей с помощью заявленного устройства осуществляется следующим образом.

Металлический корпус 1 защищает находящиеся внутри него электронные модули регистратора данных от ударов и воздействия сред с повышенным давлением до 600 атм., а также поглощает тепло за счет своей теплоемкости, препятствуя быстрому разогреву внутренних слоев.

Вспучивающийся материал 2, нанесенный на поверхность корпуса, служит в качестве дополнительной тепловой изоляции и предназначен для резкого снижения температуры на корпусе при пожаре примерно до 300-400°С. В то же время при работе в нормальных условиях он имеет малую толщину, тем самым не препятствуя отводу выделяющейся в носителях информации теплоты наружу и не увеличивая габаритные размеры устройства. При достижении температуры вспучивания во время аварийного теплового воздействия вспучивающийся материал 2 увеличивается в объеме, создавая слой с малой теплопроводностью и толщиной, в несколько десятков раз превышающей первоначальную, тем самым уменьшая тепловой поток как к защищаемым электронным носителям информации, так и к металлическому корпусу, препятствуя ухудшению его механической прочности и разрушению при нагреве.

Размещенный на внутренней поверхности теплоизолирующий слой 3 далее препятствует проникновению тепла вовнутрь корпуса.

Прошедший через изоляцию тепловой поток поглощается слоем 4 теплопоглощающего материала в процессе его плавления, то есть фазового перехода "твердое тело-жидкость". Масса упомянутого материала подбирается так, чтобы ее хватило и на поглощение тепла от разогретого корпуса после окончания пожара или воздействия высокой температуры. При охлаждении поглощающий тепло материал возвращается в твердое состояние, что позволяет ему спустя некоторое время повторно защитить электронные носители информации от кратковременных тепловых воздействий.

Кроме того, поглощающий теплоту материал способен также охладить находящиеся внутри носители информации при их кратковременном перегреве от собственных внутренних тепловыделений в нештатной ситуации. Упомянутый материал может также поглощать тепло, рассеиваемое электронной аппаратурой во время аварии, что позволяет не выключать аппаратуру во время аварии и, например, подавать сигнал для ее поиска.

На фиг.3 представлена экспериментально полученная зависимость температуры в полости устройства с электронным модулем при различных аварийных воздействиях, начинающихся в момент времени =0, а также температуры в процессе последующего охлаждения. При этом в качестве примера выполнения заявленного устройства был взят корпус из стали 30ХГСА толщиной 25 мм, покрытый ОВС "Рубеж-В", внутри которого была размещена кремнеземная ковровая теплоизоляция толщиной 18 мм, а затем теплопоглощающий слой стеариновой кислоты толщиной 30 мм. Кривая 1 соответствует пожару в течение 10 мин, кривая 2 - воздействию воды под давлением при температуре 110°С в течение 2-х часов, кривая 3 - воздействию воздуха с температурой 180°С в течение 2-х часов. Для всех указанных воздействий температура корпуса не превышала 300°С за счет применения вспучивающегося покрытия, в то время как при пожаре температура наружной поверхности устройства достигает 770-800°С. Следовательно, прочностные характеристики корпуса при пожаре не должны ухудшиться. При отсутствии внутренних тепловыделений температура во внутренней полости во всех приведенных случаях не превышала 70°С.

Таким образом, конструкция заявленного устройства для тепловой защиты электронных модулей, а также выбор определенных материалов для использования в качестве теплопоглощающего слоя позволяют добиться повышения надежности тепловой защиты электронных модулей за счет существенного снижения максимальной температуры внутри защитного корпуса при работе в аварийных условиях и обеспечения отвода внутренних тепловыделений электронного модуля при работе в нормальных условиях, а также повысить ремонтопригодность устройства, тем самым повышая эффективность тепловой защиты электронных модулей.