1.1.1. Виды теплопередачи

Как известно, существуют три способа эвакуации тепловой энергии с поверхности и внутренней структуры элементов, узлов и блоков РЭА: конвекция, радиация и теплопроводность.

А. При конвективном способе теплоотвод осуществляется в соответствии с законом Ньютона о переносе тепла при свободном движении газа или жидкости. Эвакуируемая тепловая мощность Р_к выражается соотношением:

где   S — площадь охлаждаемой поверхности, м²;

Dt° — разность температур охлаждаемой поверхности и охлаждающей среды;

a_к — константа для данного варианта конструкции, Вт/м²град.;

s_к — “тепловая проводимость” при охлаждении конвекцией:

Б. Тепловая мощность, отдаваемая в окружающее пространство за счет излучения электронной энергии (радиации), в соответствии с законом Стефана-Больцмана выражается соотношением:

 

где   S — площадь охлаждаемой (излучающей) поверхности, м²;

Т°_окр — абсолютная температура окружающей среды, °К;

t° — разность температур охлаждаемой поверхности и окружающей среды;

_пр — приведенная степень черноты;

s_u — тепловая проводимость.

Практически э.-м. излучение осуществляется в диапазоне длин волн l=0.4¸40 мк. Степень черноты e_пов зависит от вида обработки поверхности и во многих случаях близка к единице. Характерные примеры значений e_пов приведены в табл. 2.

Таблица 1

Вид поверхности	t°пов (°С)	eпов
Лак черный матовый Краски эмалевые и матовые различных цветов Алюминий полированный Дюраль	40¸100 20¸100 200¸600 50¸350	0,98 0,9¸0,96 0,04¸0,06 0,4

 

В. Тепловая мощность, отдаваемая в окружающую среду за счет теплопроводности, в соответствии с законом Фурье выражается соотношением:

где   S — площадь сечения теплопровода, м²;

d — длина теплопровода, м;

a_Т — удельная теплопроводность материала теплопровода, Вт/(м·град);

где   Dt — разность температур охлаждаемой и охлаждающей поверхности (внешней среды).

В современной микроминиатюрной РЭА роль контактной теплопередачи возрастает, так как конвективный способ теплоотвода от корпуса микроузла становится не эффективным.

В табл. 3 приведены коэффициенты теплопередачи некоторых теплопроводящих материалов, применяемых в РЭА [1, 2, 3].

Таблица 2

Материал	, Вт/(м·град)
Воздух Вода Слюда Гетинакс Эпоксид Алюминоксид Окись бериллия Сталь Алюминий Медь	0,025 0,58 0,52 0,3 0,26 30 30¸80 30¸50 140¸200 380

 

Из таблицы видно, что некоторые изоляционные конструктивные материалы (керамика) обладают коэффициентом, близким к теплопроводимости металлов. Это замечательное свойство создает перспективы для существенного улучшения теплоотдачи при конструировании микросхем и некоторых видов РЭА.

Для улучшения теплоотвода следует активно использовать массу металлических шасси, на которых крепятся узлы и элементы аппаратуры. Поэтому размеры шасси и толщину их материала, где это возможно, следует выбирать не только из соображений механической прочности. Следует добиваться необходимой массы и конструкции шасси для целей теплопоглощения и теплопередачи (отсутствие неплотных соединений теплопроводов и т.д.).

Теплоотвод конвекцией и теплопроводностью характеризуется практически линейной зависимостью между эвакуируемой тепловой мощностью и разностью температур Dt_i в широком диапазоне температур.

Эффективность теплоотвода излучением зависит от абсолютных значений температуры источника и приемника энергии.

В РЭА находят применение в различных сочетаниях все перечисленные выше способы теплопередачи. Тот или иной вид теплоотвода приобретает превалирующее значение в зависимости от назначения и конструкции РЭА. Так, например, теплоотвод в подложке типовых гибридных интегральных схем (серия К205, К217, К218 и др.) осуществляется, в основном (на 80 ¸ 90 %), контактным теплоотводом на сборочную печатную плату блока (узла) за счет теплопроводности внешних выводов ГИС.

С другой стороны, эвакуация тепла с поверхности ИСЗ осуществляется, естественно, только путем радиации.