RU2324258C2

RU2324258C2 - Thermal protection device to protect electronic modules in emergency conditions

Info

Publication number: RU2324258C2
Application number: RU2006114130/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Антонович Кораблев (RU); Владимир Антонович Кораблев; Виктори Юрьевна Сушко (RU); Виктория Юрьевна Сушко; Александр Васильевич Шарков (RU); Александр Васильевич Шарков; Анна Федоровна Макушина (RU); Анна Федоровна Макушина
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор"
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2008-05-10
Also published as: RU2006114130A

Abstract

FIELD: thermophysics.

SUBSTANCE: thermal protection device is intended for thermal protection of electronic modules in emergency conditions, which includes metal protective housing with the following layers successively layered inside it: a layer of thermal insulating material and a layer of heat-absorbing waxen material that surround the protected electronic module; said device is additionally equipped with a layer of intumescent material applied to the protective housing from outside, and said layer of heat-absorbing material is made of organic substance from the following group: fatty acids or fatty acids mix or paraffins or natural waxes or naphthalene with melting point in the range of 60-90°C.

EFFECT: improvement of electronic modules thermal protection reliability due to decrease of maximum temperature inside the housing when operating in emergency conditions as well as improvement of device repairability and producibility.

13 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electronic technology, and more specifically to the protective housings of electronic information carriers, and can be used to provide a working thermal regime for electronic elements of on-board information recorders for aircraft and other vehicles in emergency situations, including in fire conditions, when exposed to media with increased temperature and pressure, with pulsed fire.

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.).A device is known for heat and shockproof data logger containing an external and internal container, in the cavity between which is placed an endothermic insulation material that emits steam. In the inner container there is also an endothermic substance that undergoes phase transformations and is able to flow into the external cavity. The design provides plugs of fusible material, which under the influence of high temperature melt, which allows the steam to go outside (see US patent No. 5708565, H05K 7/20, H05K 5/04, publ. 13.01.98).

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.The specified device does not provide the normal thermal regime of electronic components when immersed in water to a depth of more than 200 m, since the temperature of the water-vapor phase transition substantially depends on external pressure. So, at a pressure of 2 MPa (200 meters of water), the phase transition temperature is 120 ° С, at 10 MPa - 180 ° С and at 20 MPa - 212 ° С, and the maximum allowable working temperature of most electronic components cannot exceed 100-120 ° C. In other words, the effectiveness of the use of the specified device with increasing pressure decreases, because the specific latent heat of the phase transition decreases from 2.26 MJ / kg at 100 ° C to 1.86 MJ / kg at 220 ° C.

К тому же при температурах ниже 0°С указанное устройство подвержено разрушению вследствие образования льда из содержащейся в нем воды.In addition, at temperatures below 0 ° C, this device is subject to destruction due to the formation of ice from the water contained in it.

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.A device is known for thermal protection of electronic modules, comprising an outer casing, a heat-reflecting casing, dividing the space inside the casing into two compartments filled with heat-shielding mixtures, which decompose when heated, generating gaseous products and absorbing heat (see RF patent No. 2236099, H05K 7/20 , H05K 5/02, H05K 5/06, published on March 20, 2004). As heat-shielding mixtures in this device, mixtures of crystalline hydrates of sodium carbonate and sodium hydrogen phosphate, as well as crystalline hydrates of sodium carbonate and sodium pentaerythritol sodium are used.

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.The specified device, like the previous one, also does not provide the normal thermal regime of electronic components, especially when immersed in water at a great depth, due to the dependence of the phase transition temperature on external pressure. In addition, the effectiveness of the specified device with increasing pressure is significantly reduced, because the specific latent heat of the phase transition decreases.

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.).It is also known a device for protecting memory circuits of a data logger in emergency conditions, containing external and internal containers in which heat-insulating and heat-absorbing materials are placed. Inside the external container there is a thermal protection package consisting of a layer of material swelling when heated, a heat-insulating gasket and a metal layer, and the external container is made of metal that melts during a fire (see RF patent No. 2220076, B64D 45/00, H05K 5/04, H05K 7/20, published on December 27, 2003).

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.Since heat absorption in this device, as well as in the previous ones, is carried out due to the “water-steam” phase transition, the maximum temperature of the protected electronic unit inside the device is provided at a level of 100-110 ° С, which requires the use of electronics of a special design that is insensitive to increase in temperature. In addition, the irreversibility of the transition of heat-absorbing materials to a gaseous state leads to the inability to protect information storage devices upon repeated exposure to media with elevated temperature.

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.In addition, although this device provides means for sealing the casing to protect it when it falls into water at a great depth, they do not at the same time provide thermal protection. To prevent an excessive increase in pressure inside the housing, openings for gas discharge and equalization of external and internal pressure, closed by fusible material, are made in the device. At higher external pressure, the presence of such holes, on the contrary, will lead to an increase in pressure inside, and if the device enters an aggressive environment, penetration of substances damaging the information carriers into the housing is possible.

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.On the other hand, any violation of the integrity of the housing (even due to special means installed in the housing) leads to a deterioration in the reliability of its heat-shielding properties, and the release of carbon dioxide and water vapor as a result of the endothermic reaction can lead to the formation, for example, of carbonic acid, the effect of which on the metal surface of the housing and the casing can cause their corrosion and depressurization.

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.The specified device also does not provide the removal of heat released in the electronic circuit at a high ambient temperature, which makes it impossible for the on-board recorder to work during the accident and after it. In addition, protection against shock and high pressure in the device is provided by heat-protective materials and the body, which decompose in case of fire. If the device enters an environment with high pressure or experiences a strong blow after a fire, the electronic circuits may not be sufficiently protected.

Все перечисленные факторы отрицательно влияют на надежность и эффективность тепловой и механической защиты электронных модулей внутри известного устройства.All of these factors adversely affect the reliability and efficiency of thermal and mechanical protection of electronic modules inside a known device.

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.).Closest to the technical nature of the claimed is a device for isolating electronic components from shock and thermal effects of the environment, containing an outer metal shell (housing) surrounding the protected electronic device. Between the inner surface of the housing and the electronic device, a heat-insulating layer, a layer of wax-like material with high heat of fusion, experiencing a phase transformation, and a layer of elastic rubber-like material that absorbs mechanical shocks, covering the circuit board with electronic elements from all sides, are sequentially placed. When heated, the wax-like material melts, absorbing excess heat. Electronic elements are separated from the molten mass of material by a hermetically sealed layer of rubber-like material, which is obtained during the assembly of the device. For this, the cavity around the electronic device is filled with this material in a gel state, and then subjected to vulcanization (see US patent No. 5438162, H01L 23/28, publ. 01.08.95,).

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).In the specified device, the heat-insulating layer is made up of two parts, tightly adjacent to each other, on the inside of each of which there is a recess. A pre-formed layer of wax-like material, also consisting of two parts and made of synthetic organic amide-type waxes or pentaerythritol solid solution, is placed in the cavity formed in this cavity. The ignition temperature of one of such materials proposed for use under the trade name Acrawax HM23 is 277 ° C, and its melting temperature is 140 ° C. Another material (Acrawax C) has an ignition temperature of 271 ° C and a melting point of 120 ° C. For pentaerythritol, the melting point is 258-260 ° C, and the phase transition temperature in the solid state is 184-185 ° C. Considering that the elastic layer placed inside the cavity in the layer of wax-like material according to the invention is made of silicone rubber and has a thermal conductivity similar to the thermal conductivity of the wax-like material, it is obvious that the temperature around the protected electronic device cannot be lower than 120 ° C, which exceeds the maximum allowable working temperature of most electronic data loggers (about 100-110 ° C).

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.This device is all the more unable to ensure the normal thermal regime of electronic components if they have significant internal heat emissions during an external emergency temperature effect, since the inner layer of the cushioning material hermetically seals the electronic device and thereby prevents the absorption of its heat by the melting substance.

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.The specified device also does not provide reliable protection of electronic circuit boards from shock and penetrating influences, especially after and during a fire, since the strength properties of a metal case deteriorate when exposed to high temperatures. For example, structures made of inexpensive titanium alloys, as in the known device, do not significantly change their strength properties until they reach a temperature of 500-600 ° C, and at 800 ° C their strength decreases by 1.5-2 times compared to strength at 20 ° C. At the same time, the temperature of the outer surface of the device in a fire reaches almost 800-1000 ° C.

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.In addition, in the known device, when a separate element of the electronic device fails, it is necessary to replace the entire board as a whole, since it is covered on top with a whole layer of shock-absorbing material, which must be removed (exfoliate, as follows from the description) without violating the integrity of electronic circuits and contact connections between them It seems very difficult, which significantly reduces the maintainability of the entire device.

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.The invention solves the problem of increasing the efficiency and reliability of thermal protection of electronic modules during accidental influences of various kinds by reducing the maximum temperature inside the protective case during emergency operation and by providing internal heat dissipation of the information storage device under normal conditions, as well as improving the maintainability of the device as a whole.

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.The essence of the claimed invention lies in the fact that the device for thermal protection of electronic modules in emergency conditions, containing a metal protective case with a layer of heat-insulating material located inside it and a layer of heat-absorbing organic wax-like material surrounding the protected electronic module, is additionally equipped with a layer of material intumescent when heated, applied externally to the protective housing, and the layer of heat-absorbing material is a substance and groups: fatty acid or mixture of fatty acids or waxes, or natural waxes or naphthalene, having a melting point in the range of 60-90 ° C.

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.In this case, stearic acid, or palmitic acid, or a mixture of stearic and palmitic acids, or naphthalene, or paraffin, or ozokerite, or beeswax can be used as a heat-absorbing material. The heat-absorbing material is melted to absorb heat, and upon subsequent cooling it again returns to the solid state.

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.To simplify access to the electronic memory module during repair and to allow expansion of the heat-absorbing layer with increasing temperature during an accident, an air gap is formed between the heat-absorbing layer and this module, and the material of the heat-absorbing layer is placed in a flexible closed shell made of a polymeric material with a melting point not lower than 160 ° C.

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.In addition, to increase the maintainability of the device, the heat-absorbing layer can be made composite of at least two detachable parts, each of which is placed in a flexible closed shell.

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.A woven carpet material made of silica fibers was used as a heat-insulating material, and the layer of intumescent material when heated was made in the form of an intumescent coating with an expansion temperature of 100-140 ° C and an expansion ratio of 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.The device is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a cross section of the design of the device for thermal protection of electronic modules; figure 2 is a longitudinal section thereof; figure 3 is a graph of the temperature inside the cavity with storage media for various accidental influences and subsequent cooling.

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.The device contains a protective metal housing 1, made, for example, of steel 30 HGSA, capable of maintaining its protective functions in case of fire. The shape of the housing 1 may be different, including in the form of a parallelepiped, a cube or a ball, however, in the preferred embodiment, it is cylindrical, which is most optimal from the point of view of manufacturability and minimization of the heat flux entering the protected volume during an accident. It is known that the total heat flux at a given temperature is the smaller, the smaller the surface area. Based on this, the best shape of the body is a ball, and the worst is a parallelepiped, but the complexity of manufacturing spherical shells is much higher than for a cylinder and parallelepiped. The thickness of the housing can be 25-40 mm, depending on the design and operational requirements for the device.

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.The material 2, which is intumescent upon heating, is applied to the surface of the body with an expansion temperature of 100-140 ° C and an expansion ratio of 10-40. As such material, for example, fire retardant intumescent composition based on Rubezh-V OVS vermiculite (temperature of the beginning of expansion of 120-140 ° C, the expansion ratio of 40), developed and manufactured by the Research Institute of Special Materials (St. Petersburg), or fire-retardant intumescent cable coating OVKP-2 according to TU 1568-001-12439-149-93 (the temperature of the beginning of expansion is about 100-110 ° C, the expansion ratio is 10 times). It was experimentally established that the optimal thickness of such a coating should be at least 1.8-2 mm for the first and 3.0-3.5 mm for the second.

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.On the inner side of the housing 1 there is a layer 3 of heat-insulating material capable of withstanding temperatures up to 1000 ° C; as the material of this layer can be used, for example, woven carpet material made of silica fibers, developed by FSUE Central Research Institute of Materials (St. Petersburg), whose thermal conductivity is 0.05-0.1 W / (m · K), or another woven fibrous material with similar thermal characteristics. The thickness of this layer is selected depending on the thermal characteristics of the material and the specified overall dimensions of the device.

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.A heat-absorbing layer 4 of an organic wax-like material having a melting point in the range of 60-90 ° C is adjacent to the inner surface of the heat-insulating layer 3. As such material, substances such as fatty acids (for example, stearic or palmitic acids), or stearin, which is a mixture of them, or paraffin, or naphthalene, or ozokerite, beeswax, etc. can be used.

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 C₁₅H₃₁COOH 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.In particular, stearic acid of the general formula C ₁₇ H ₃₅ COOH has a melting point in the range of 69.2-70 ° C, and its heat of melting, that is, the amount of heat that is able to absorb a unit mass of the absorbing substance, is 150-210 kJ / kg . The melting point of palmitic acid of the general formula C ₁₅ H ₃₁ COOH is 62.5-64 ° C, stearin has a melting point of 65-70 ° C, and naphthalene is 80 ° C. A mixture of saturated hydrocarbons with the general chemical formula C _n H _2n , where n is an integer from 18 to 35, called paraffin, is also applicable as a heat-absorbing material if the melting point of the mixture is above 60 ° C. Natural waxes such as ozokerite (melting point 65-100 ° C), beeswax with a melting point of 62-70 ° C, etc. can be used. These substances are designed to absorb heat when the temperature rises above their melting temperature and release accumulated heat at lower temperatures.

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.The choice of the melting temperature range of heat-absorbing materials from 60 to 90 ° C is caused, on the one hand, by the need to reduce the maximum temperature inside the protective case when working in emergency conditions not higher than 90 ° C, and on the other hand, by the need for the heat-absorbing material to remain in solid state when electronic modules are working under normal conditions. Under normal conditions, heat generation in the electronic memory modules causes the heat-absorbing substance to overheat by no more than 15 ° C, which for an ambient temperature of 45 ° C gives the maximum temperature of the heat-absorbing substance under normal operating conditions, not exceeding 60 ° C, therefore, the melting temperature heat-absorbing substance should not be lower than it.

Теплопоглощающий слой 4 помещен в гибкую замкнутую оболочку 5 и размещен таким образом, что со всех сторон охватывает защищаемый электронный модуль 6.The heat-absorbing layer 4 is placed in a flexible closed shell 5 and placed in such a way that it covers the protected electronic module 6 from all sides.

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.Flexible shell 5 is made of a polymer material with a melting point of at least 160-200 ° C, for example, polyethylene terephthalate film according to GOST 24234-80, or polypropylene film according to TU 2245-001-05801845 manufactured by OAO NOVATEK-POLIMER (Novokuybyshevsk) . In this case, the film thickness can optimally be no more than 100 μm, so as not to significantly increase the thickness of the heat-absorbing layer, and at the same time, reliably hold the layer material melted under the influence of elevated temperature, ensuring its tight fit to the protected electronic module.

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.A practically flexible shell 5 can be made in the form of a container with a cavity inside filled with heat-absorbing material, the outer surface of the container covering one side of the electronic module 6, and the other side adjacent to the inner surface of the layer 3 of insulating material. In the embodiment for a cylindrical metal case, this container can be made, for example, of two pipes of polymer material inserted one into the other, the edges of which are welded at the ends or connected by ring bottoms. The material of the heat-absorbing layer 4 in advance (before installation) is formed corresponding to the shape of the recess in the layer 3 of the heat-insulating material. The layer of heat absorbing material at all points of the body should be at least 1 cm.

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).To improve the manufacturability and maintainability of the device, the heat-absorbing layer can be made composite of at least two detachable parts, each of which is placed in a flexible closed shell. For the case of a cylindrical body, for example, from the ends of the cylindrical part of the heat-absorbing layer 4, two more flat parts 7 and 8 are installed, each of which has the shape of a volume disk (figure 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.In another embodiment, the heat-absorbing layer 4 can be made in the form of a set of rings of the corresponding material, tightly adjacent to each other by the side surfaces, or in the form of a set of segments of a hollow cylinder (not shown in the drawing), or another set of components.

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.In order to provide the possibility of thermal expansion of the heat-absorbing layer 4 with increasing temperature, and also to ensure easy removal of the electronic module 6 for repair, an air gap 9 is formed between the heat-absorbing layer 4 and this module. The thickness of the gap is selected depending on the coefficient of thermal expansion of the heat-absorbing material so that at the maximum possible degree of expansion of the heat-absorbing layer 4, it fits snugly against the electronic modules 6, and is practically 0.2-1 mm.

Тепловая защита электронных модулей с помощью заявленного устройства осуществляется следующим образом.Thermal protection of electronic modules using the claimed device is as follows.

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.The metal case 1 protects the electronic modules of the data logger inside it from shock and exposure to pressures up to 600 atm., And also absorbs heat due to its heat capacity, preventing the rapid heating of the inner layers.

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.The intumescent material 2, deposited on the surface of the casing, serves as additional thermal insulation and is designed to drastically reduce the temperature on the casing during a fire to about 300-400 ° C. At the same time, when operating under normal conditions, it has a small thickness, thereby not preventing the heat released in the information carriers from being removed to the outside and without increasing the overall dimensions of the device. When the expansion temperature is reached during an emergency heat exposure, the intumescent material 2 increases in volume, creating a layer with low thermal conductivity and a thickness several tens of times higher than the original, thereby reducing the heat flux to both protected electronic information carriers and the metal casing, preventing deterioration of its mechanical strength and destruction upon heating.

Размещенный на внутренней поверхности теплоизолирующий слой 3 далее препятствует проникновению тепла вовнутрь корпуса.Located on the inner surface of the insulating layer 3 further prevents the penetration of heat into the inside of the housing.

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.The heat flux that has passed through the insulation is absorbed by the layer 4 of heat-absorbing material during its melting, that is, the solid-liquid phase transition. The mass of the mentioned material is selected so that it is sufficient to absorb heat from the heated case after the fire or exposure to high temperature. When cooled, the heat-absorbing material returns to a solid state, which allows it to re-protect electronic information carriers from short-term thermal effects after some time.

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.In addition, the heat-absorbing material is also able to cool the storage media inside them during their short-term overheating from their own internal heat releases in an emergency. Mentioned material can also absorb heat dissipated by electronic equipment during an accident, which allows not to turn off the equipment during an accident and, for example, send a signal to search for it.

На фиг.3 представлена экспериментально полученная зависимость температуры в полости устройства с электронным модулем при различных аварийных воздействиях, начинающихся в момент времени τ=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.Figure 3 presents the experimentally obtained dependence of the temperature in the cavity of the device with the electronic module for various emergency actions starting at time τ = 0, as well as temperature during subsequent cooling. In this case, as an example of the implementation of the claimed device, a case made of 30KhGSA steel 25 mm thick, coated with Rubezh-V OVS, inside which a silica carpet thermal insulation 18 mm thick was placed, and then a heat-absorbing layer of stearic acid 30 mm thick, was taken. Curve 1 corresponds to a fire for 10 minutes, curve 2 - to water under pressure at a temperature of 110 ° C for 2 hours, curve 3 - to air with a temperature of 180 ° C for 2 hours. For all these effects, the temperature of the case did not exceed 300 ° C due to the use of intumescent coating, while in case of fire, the temperature of the outer surface of the device reaches 770-800 ° C. Consequently, the strength characteristics of the housing in case of fire should not deteriorate. In the absence of internal heat release, the temperature in the internal cavity in all the cases cited did not exceed 70 ° C.

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.Thus, the design of the claimed device for thermal protection of electronic modules, as well as the selection of certain materials for use as a heat-absorbing layer, can improve the reliability of thermal protection of electronic modules by significantly reducing the maximum temperature inside the protective housing during emergency operation and ensuring the removal of internal heat electronic module when working under normal conditions, as well as increase the maintainability of the device, thereby increasing the high thermal efficiency of electronic modules.

Claims

1. Device for thermal protection of electronic modules in emergency conditions, comprising a metal protective case and a sequentially located layer of heat-insulating material and a heat-absorbing layer of organic wax-like material, covering the protected electronic module on all sides, characterized in that it is additionally equipped with a layer of intumescent during heating the material deposited externally on the protective case, and the heat-absorbing layer is made of a material selected from the group: fatty acids ota, or a mixture of fatty acids, or paraffins, or natural waxes, or naphthalene, with a melting point in the range of 60-90 ° C.

2. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made of stearic acid.

3. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made of palmitic acid.

4. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made of a mixture of stearic and palmitic acids.

5. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made of paraffin.

6. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made of ozokerite.

7. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made of beeswax.

8. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is placed in a flexible closed shell of a polymeric material.

9. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is made integral of at least two detachable parts, each of which is placed in a flexible closed shell.

10. The device according to claim 1, characterized in that the flexible shell is made of a polymeric material with a melting point of at least 160 ° C.

11. The device according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing layer is placed around the electronic module with a gap.

12. The device according to claim 1, characterized in that the woven carpet material of silica fibers is used as the heat-insulating material.

13. The device according to claim 1, characterized in that the layer of intumescent material when heated is made in the form of an intumescent coating with an expansion temperature of 100-140 ° C and an expansion ratio of 10-40.