В процессе производства, хранения и эксплуатации ЭС могут подвергаться воздей­ствию положительных и отрицательных температур, обусловленных влиянием окру­жающей среды и объекта установки. Не следует забывать о том, что само ЭС является источником тепловой энергии. Если эту энергию не рассеивать в элементах конструк­ции или окружающем пространстве, то повышается температура ЭС, нарушается его нормальный режим функционирования, или наступает отказ. Повышение темпера­туры приводит к изменению характеристик различных диэлектрических, проводни­ковых и полупроводниковых материалов и, соответственно, влияет на различные па­раметры пассивных и активных ЭРИ.

Ряд термических ВВФ и базовые тепловые расчеты при обеспечении требуемого теплового режима ЭС были рассмотрены в § 4.5.2 настоящего учебного пособия. Эти расчеты применимы для обеспечения благоприятного теплового режима большинства конструкций ЭС для любой группы по объекту установки (см. § 3.2.2), однако в отдель­ных случаях требуется использовать особые способы охлаждения.

К настоящему времени разработано много разнообразных систем охлаждения ЭС, работа которых основана на использовании различных способов отвода тепла [29, 30, 43, 44, 48]. Так, существуют системы на основе фазовых переходов веществ (испаре­ние, плавление), термоэлектрического эффекта, а также термоаккумуляционные си­стемы. В качестве теплоносителя в теплоотводящих системах могут использоваться различные газы, жидкости и твердые тела и применяться естественное и (или) прину­дительное охлаждение.

К естественному охлаждению относятся системы, где охлаждение происходит на­ружной средой поверхности аппарата или естественно-испарительными фитильными устройствами (тепловыми трубами). Естественное воздушное охлаждение является наиболее простым, надежным, дешевым и проверенным способом, однако его исполь­зование возможно при относительно небольших рассеиваемых мощностях. Кроме того, эффективность естественного воздушного охлаждения уменьшается при понижении атмосферного давления ниже 5,6 ∙ 10⁴ Па.

Естественное воздушное охлаждение широко используется не только для общего охлаждения аппаратов, но и для охлаждения отдельных тепловыделяющих ЭРИ, в частности, диодов, транзисторов и ИМС. Повышение эффективности достигается увеличением теплоотдающей поверхности с помощью радиаторов. Конструкции ради­аторов очень многообразны, однако наибольшее распространение получили радиаторы с ребрами пластинчатой, штырьковой и игольчатой форм. Методы выбора и расчета радиаторов полупроводниковых приборов рассмотрены в § 4.5.2.

Конструктивно тепловая труба (рис. 4.8.2) представляет собой замкнутую камеру, состоящую из полого цилиндра с большим отношением длины к диаметру. Внутрен­няя поверхность трубы покрыта пористой структурой (фитилем), насыщенной смачи­вающей жидкостью — теплоносителем. При подводе тепла к одному из концов трубы (испарительной зоны) теплоноситель в этой части начинает испаряться, и пары посту­пают в противоположный конец трубы (конденсационная зона), где происходит кон­денсация пара и передача тепла. Между этими зонами возникают небольшие темпера­турные градиенты, поэтому можно считать, что таким путем переносится практически вся тепловая энергия. Так, с помощью тепловых труб тепло отдается от теплонагру­женных элементов и выносится за пределы ЭС, создавая внутри него более равномер­ное и стабильное температурное поле.

Рис. 4.8.2. Упрощенная конструкция тепловой трубы

Принудительное охлаждение обеспечивается продувкой внутренней зоны прибора воздухом, наружным обдувом его поверхности, перемешиванием воздуха внутри ап­парата, использованием микрохолодильников и термостатирующих устройств, тер­моэлектрических батарей, специальных жидкостных и воздушных испарительных систем, а также за счет термоаккумуляционных свойств материалов.

Принудительная вентиляция подразделяется на приточную, вытяжную и приточно-вытяжную. Приточная вентиляция осуществляется нагнетанием в ЭС на­ружного воздуха, а вытяжная — выбросом нагретого воздуха в окружающее простран­ство. Поступающий извне воздух очищается от пыли и при необходимости осушается. Приточно-вытяжная вентиляция осуществляется одновременным нагнетанием холод­ного и выбросом из ЭС наружу горячего воздуха. Перемешивание воздуха осуществля­ется в замкнутом объеме аппарата с вентилятором.

Наиболее эффективными считаются жидкостно-испарительные системы, в которых охлаждение происходит за счет циркуляции охлаждающей жидкости через специаль­ные каналы в несущей конструкции или через радиаторы. Воздушно-испарительные устройства работают на основе испаряемых жидкостей с низкой температурой кипе­ния. К достоинствам жидкостно-испарительных устройств охлаждения следует отне­сти высокий КПД и независимость от условий внешней среды.

Термоэлектрическое охлаждение основывается на использовании эффекта Пель­тье, когда при прохождении электрического тока (в зависимости от его направления) поглощение тепла происходит на одном спае полупроводниковой структуры, а выде­ление его — на другом. Эффективность охлаждения повышается применением термо­батарей. Поглощение тепла с помощью тепловых аккумуляторов осуществляется в ограниченный отрезок времени путем отвода тепла на элементы конструкции с опре­деленной массой и температурой. Эффект охлаждения зависит от массы системы, на­чальной температуры поглотителя и его теплоемкости.

Принудительные системы охлаждения могут использоваться как для охлаждения ЭС в целом, так и для охлаждения отдельных мощных источников тепла в нем, напри­мер, микропроцессоров, источников питания, выходных усилительных каскадов и др.

Существует множество специализированных литературных источников различного уровня сложности по расчету разнообразных систем охлаждения для конструкций ЭС, например [50, 51].

Выбор системы охлаждения неоднозначен. Чтобы обеспечить благоприятный те­пловой режим ЭС, необходимо проанализировать возможные термические ВВФ и воз­можные причины их возникновения. Например, тепловой удар происходит вследствие резкого изменения температуры окружающей среды. Такое изменение, во-первых, мо­жет быть связано с природными климатическими условиями (по сути, термический ВВФ является следствием климатического ВВФ), а во-вторых — с изменением харак­теристик микроклимата рабочей среды на объекте установки ЭС. Тогда в первом слу­чае необходимо более тщательно отнестись к выбору элементной базы соответствую­щего климатического исполнения и обеспечить ее тепловой режим с помощью того или иного способа охлаждения. Во втором случае, исходя из экстремальных рабочих температур окружающего ЭС пространства и перепада температур, определяется спо­соб поддержания внутри ЭС микроклимата с относительно стабильными параметрами, например, путем совмещения системы охлаждения с герметизацией блока. Другим примером может служить радиационное разогревание ЭС, приводящее к росту тем­пературы его конструктивных элементов из-за превращения поглощенной материа­лами этих элементов энергии ионизирующего излучения в тепловую энергию. Следо­вательно, термический ВВФ возникает вследствие дестабилизирующего воздействия ионизирующего излучения, поэтому необходимо, в первую очередь, защищать ЭС от воздействия радиации, а не сводить защиту от перегрева только к повышению эф­фективности отвода тепла.