СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК H05K7/20 H05K5/02 H05K5/06 

Способ и устройство для тепловой защиты электронных модулей относятся к специальной области электронной техники и могут быть использованы для защиты в аварийных ситуациях электронных модулей типа регистраторов полетной информации, используемых на самолетах и любых других транспортных средствах.

Известен способ тепловой защиты электронных модулей путем отвода тепла из устройства с помощью теплозащитных смесей (патент США №5932839, МПК Н 05 К 5/02).

Известно устройство для осуществления этого способа, содержащее внешний корпус, внутренние поверхности которого образуют внутреннюю полость, заполненную теплозащитной смесью, в которой размещены электронные модули, изолирующую термическую прокладку, расположенную между внутренними поверхностями и теплозащитной смесью, и средства для удаления из корпуса двуокиси углерода (патент США №5932839, МПК Н 05 К 5/02).

Описанные способ и устройство для тепловой защиты по совокупности существенных признаков являются наиболее близкими к заявляемым изобретениям и выбраны в качестве ближайших аналогов.

Ближайшим аналогам заявляемых изобретений характерна низкая надежность, обусловленная кратким периодом времени, до 160 с, в течение которого модули защищены от воздействия высоких температур окружающей среды.

Задачей предлагаемых изобретений является повышение надежности тепловой защиты электронных модулей за счет обеспечения возможности отвода тепла от электронных модулей в течение более длительного времени.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе тепловой защиты электронных модулей путем отвода тепла из устройства с помощью теплозащитной смеси используют два слоя теплозащитных смесей, причем в качестве теплозащитных смесей используют смесь кристаллогидратов карбоната натрия (КН) и пентаэритритбората натрия (ПЭБН) в весовом соотношении от 80:20 до 20:80 и смесь кристаллогидратов КН и гидрофосфата натрия (ГФН) в весовом соотношении от 20:80 до 80:20.

Для усиления механической прочности теплозащитных смесей в них вводят от 3 до 15 весовых частей стекловолокна.

Для решения поставленной задачи устройство тепловой защиты электронных модулей, содержащее корпус, внутренние поверхности которого образуют внутреннюю полость для размещения электронных модулей, теплозащитную смесь, занимающую часть указанной внутренней полости, и средства для удаления из корпуса газообразных продуктов разложения снабжено теплоотражающим кожухом, разделяющим внутреннюю полость корпуса на две части, заполненные теплозащитными смесями, при этом часть полости, образованная внутренними поверхностями корпуса и внешними поверхностями теплоотражающего кожуха, заполнена смесью, состоящей из кристаллогидратов КН и ГФН, а часть полости, образованная внутренними поверхностями теплоотражающего кожуха и электронными модулями, заполнена смесью, состоящей из кристаллогидратов КН с ПЭБН.

Кроме того, для увеличения теплозащитных свойств наружная металлическая поверхность корпуса имеет огнезащитное вспучивающееся покрытие - краску толщиной от 0,2 до 2 мм с кратностью вспучивания от 40 до 100, температурой начала вспучивания не ниже 90 и не более 120°С.

Для выхода газообразных продуктов разложения устройство имеет специальные средства.

На фиг.1 представлена конструкция устройства тепловой защиты электронных модулей, на фиг.2 - график изменения температуры внутри электронного модуля в зависимости от времени при воздействии на корпус пламени с температурой 840...1100°С, интенсивностью 195...213 кВт/м² и стопроцентным охватом корпуса.

Устройство для тепловой защиты содержит корпус 1, изготовленный обычно из металла, имеющего высокую прочность и устойчивого к раздавливанию и прониканию острия. Корпус 1 может иметь любую требуемую форму.

Теплозащитная смесь 2, состоящая из смеси кристаллогидратов КН и ГФН в весовом соотношении от 20:80 до 80:20, расположена в полости, образованной внутренними поверхностями корпуса 1 и внешними поверхностями теплоотражающего кожуха 3, разделяющего полость на две части. Внутренние поверхности кожуха 3 образуют полость, в центре которой расположены один или несколько защищаемых электронных модулей 4. Теплозащитная смесь 5 занимает часть указанной полости между внутренними поверхностями кожуха 3 и электронными модулями 4 и состоит из кристаллогидратов КН с ПЭБН в весовом соотношении от 80:20 до 20:80. Кожух 3 и наружный корпус 1 закрывают соответственно крышками 6 и 7.

Кожух 3 может быть изготовлен из фольги из нержавеющей стали толщиной 50...100 мкМ.

При воздействии на корпус 1 высокой температуры происходит эндотермическое разложение теплозащитных смесей 2 и 5 с поглощением тепла и выделением газообразных продуктов разложения.

Теплозащитные смеси 2 и 5 имеют температуру начала эндотермического разложения в пределах 100°С...120°С.

При своем эндотермическом разложении смеси 2 и 5 поглощают тепло из окружающей среды, имеющей высокую температуру. Этот процесс позволяет удерживать максимальную температуру внутри корпуса 1 на приемлемом уровне, то есть на уровне, при котором электронным модулям 4, находящимся в корпусе 1, не наносятся существенные повреждения. При эндотермическом разложении смесей 2 и 5 образуются углекислый газ и пары воды. Накопление большого количества газа внутри герметичного корпуса может привести к раздавливанию размещенных там электронных модулей 4 под действием избыточного давления. Для выхода газообразных продуктов разложения в корпусе 1, кожухе 3, крышках 6 и 7 имеются специальные средства. Выход наружу CO₂ и Н₂O способствует гашению пламени. Размещение теплоотражающего кожуха 3 между слоями активной тепловой защиты повышает эффективность отвода тепла от электронного модуля 4. Смеси 2 и 5 образуют два слоя активной тепловой защиты с различными диапазонами температур разложения. Соотношение толщины слоев составляет от 40:60 до 60:40, оптимально - 50:50. Для обеспечения выхода газообразных продуктов разложения из смесей последние имеют относительную плотность порядка 0,5.

Кроме того, для увеличения теплозащитных свойств наружная металлическая поверхность корпуса 1 имеет огнезащитное вспучивающееся покрытие - краску толщиной от 0,2 до 2 мм с кратностью вспучивания от 40 до 100, температурой начала вспучивания не ниже 90°С и не более 120°С, что позволяет в 1,5...2 раза (до 1 часа) увеличить время защиты электронного модуля 4.

Из графика на фиг.2 видно, что при воздействии на корпус 1 пламени с температурой 840...1100°С и интенсивностью теплового потока 213 кВт/м теплозащитная смесь обеспечивает температуру внутри электронного модуля не выше 110°С в течение не менее 30 мин.

При заполнении свободного пространства между внутренней поверхностью корпуса 1 и электронным модулем 4 только карбонатом натрия обеспечивается высокотемпературная защита не более 8...10 мин. Такие же результаты получены и при заполнении полости гидрофосфатом натрия.

В дополнение к свойствам поглощения тепла для усиления механической прочности теплозащитные смеси 2 и 5 содержат от 3 до 15 весовых частей стекловолокна толщиной 5...10 мкм и длиной менее 0,5 мм. Например, при аварии корпус может быть подвергнут интенсивному удару 3400 g, при таком ударном воздействии смеси поглощают часть удара, отклоняя ударную волну от электронных модулей.

Использование в предлагаемом устройстве двух теплозащитных слоев: смеси карбоната натрия с гидрофосфатом натрия и смеси карбоната натрия с пентаэритритборатом натрия, разделенных теплоотражающим кожухом, а также наличие огнестойкого вспучивающегося покрытия на поверхности корпуса позволило обеспечить защиту электронных модулей в течение не менее 30 мин.

Изобретения предназначены для защиты в аварийных ситуациях электронных модулей типа регистраторов полетной информации, используемых на самолетах и любых других транспортных средствах. Сущность способа заключается в отводе тепла от электронных модулей с помощью теплозащитных смесей в процессе их эндотермического разложения, а устройство для осуществления этого способа содержит внешний корпус, теплоизолирующий кожух, разделяющий внутреннюю полость, образованную внутренними поверхностями внешнего корпуса, на две части, теплозащитные смеси и средства для удаления из корпуса газообразных продуктов разложения. Часть полости между внутренними поверхностями внешнего корпуса и внешними поверхностями теплоотражающего кожуха содержит смесь, состоящую из кристаллогидратов карбоната натрия и гидрофосфата натрия, а часть полости между внутренними поверхностями теплоотражающего кожуха и электронными модулями содержит смесь, состоящую из кристаллогидратов карбоната натрия и пентаэритритбората натрия. Кроме того, для увеличения теплозащитных свойств наружная металлическая поверхность внешнего корпуса имеет огнезащитное вспучивающееся покрытие - краску толщиной от 0,2 до 2 мм с кратностью вспучивания о 40 до 100, температурой начала вспучивания не ниже 90°С и не более 120°С. Техническим результатом изобретения является повышение надежности тепловой защиты электронных модулей за счет обеспечения возможности отвода тепла от электронных модулей в течение более длительного времени. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ тепловой защиты электронных модулей путем отвода тепла из устройства с помощью теплозащитных смесей, отличающийся тем, что в качестве теплозащитных смесей используют два слоя теплозащитных смесей: слой из смеси кристаллогидратов карбоната натрия и пентаэритритбората натрия в весовом соотношении 80:20-20:80 и слой из смеси кристаллогидратов карбоната натрия и гидрофосфата натрия в весовом соотношении 20:80-80:20.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для усиления механической прочности теплозащитных смесей в них вводят 3-15 вес.ч. стекловолокна.3. Устройство для тепловой защиты электронных модулей, содержащее корпус, внутренние поверхности которого образуют внутреннюю полость для размещения электронных модулей, теплозащитную смесь, занимающую часть указанной внутренней полости, и средства для удаления из корпуса газообразных продуктов разложения, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит теплоотражающий кожух, разделяющий внутреннюю полость корпуса на две части, заполненные теплозащитными смесями, при этом часть полости, образованная внутренними поверхностями корпуса и внешними поверхностями теплоотражающего кожуха, заполнена смесью, состоящей из кристаллогидратов карбоната натрия и гидрофосфата натрия, а часть полости, образованная внутренними поверхностями теплоотражающего кожуха и электронными модулями, заполнена смесью, состоящей из кристаллогидратов карбоната натрия и пентаэритритбората натрия.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для увеличения теплозащитных свойств наружная металлическая поверхность внешнего корпуса имеет огнезащитное вспучивающееся покрытие - краску толщиной 0,2-2 мм с кратностью вспучивания 40-100, температурой начала вспучивания не ниже 90°С и не более 120°С.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для удаления газообразных продуктов разложения оно имеет специальные средства.