Принципы построения индивидуальных систем охлаждения электронных приборов и устройств

УДК 621.396.6 
ББК 32.844 
     У48 
 
Р е ц е н з е н т ы: заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат государственной 
премии РФ, доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного 
электротехнического университета «ЛЭТИ»  Ю. А. Быстров; заслуженный деятель 
науки и техники РФ, доктор техн. наук, профессор Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева.  В. Ф. Некрашевич 
 
Улитенко А.И., Гуров В.С., Пушкин В.А. 
У48          Принципы построения индивидуальных систем охлаждения 
электронных приборов и устройств. – М.: Горячая линия–Телеком, 
2012. – 286 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0232-9. 
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование систем охлаждения 
электронных приборов с теплопередающим трактом на основе жидкостной магистрали, разработку конструкций высокоэффективных тепловых труб большой протяженности, создание методов проектирования теплорассеивающих элементов, построение систем охлаждения 
электронных приборов на основе унифицированных термоэлектрических батарей и разработку способов термостатирования приборов в условиях изменяющейся температуры окружающей среды.  
Для инженерно-технических и научных работников, деятельность 
которых связана с разработкой радиоэлектронного оборудования, как общего, так и специального назначения. Будет полезна студентам и аспирантам при углубленном изучении вопросов теплового конструирования электронной аппаратуры. 
ББК 32.844 
 
Научное издание 

Улитенко Александр Иванович, Гуров Виктор Сергеевич, 
Пушкин Виктор Анатольевич 
 
Принципы построения индивидуальных систем охлаждения 
электронных приборов и устройств 
Монография 
Компьютерная верстка И. А. Благодаровой 
Обложка художника В. Г. Ситникова 

Подписано в печать 17.12.2011. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 17,875. Тираж 500 экз. 

ISBN 978-5-9912-0232-9     © А. И. Улитенко, В. С. Гуров, В. А. Пушкин, 2012 
                                            © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2012 

Введение 

Тенденция развития современных электронных приборов 
неразрывно связана с усложнением проблемы их охлаждения. Это 
объясняется непрерывным ростом плотности рассеиваемой мощности, жесткими условиями эксплуатации и многообразием 
конструктивного исполнения приборов, что в конечном итоге 
практически полностью исчерпало возможности интуитивных 
методов проектирования охлаждающих систем. Наиболее остро 
недостатки 
такого 
подхода 
проявляются 
при 
разработке 
индивидуальных 
систем 
жидкостного 
охлаждения 
приборов 
вакуумной и плазменной электроники. 
Как 
правило, 
жидкостные 
системы 
выполняются 
по 
двухконтурной схеме, что способствует применению различных 
теплоносителей и длительному сохранению их высокого качества. 
В связи с этим они по-прежнему незаменимы при охлаждении 
приборов с высоким уровнем плотности рассеиваемой мощности, 
вплоть до значений порядка 1∙107 Вт/м2. В основном это мощные 
генераторные лампы, клистроны, ЛБВ, твердотельные и газовые 
лазеры. В то же время, благодаря высокой универсальности, они 
часто используются для охлаждения приборов малой и средней 
мощности, конструктивные особенности которых ограничивают 
применение других способов теплоотвода. 
Однако поскольку ценой универсальности жидкостных систем 
являются относительно низкие эксплуатационные характеристики, 
проблема 
их 
дальнейшего 
совершенствования 
продолжает 
оставаться актуальной. В частности, исследования условий 
теплообмена в каналах промежуточных теплообменников открывают новые возможности по снижению массо-габаритных и энергетических 
показателей 
разрабатываемых 
систем, 
повышению 
надежности и стабильности выходных параметров приборов и 
устройств в целом. 
Помимо 
исследований, 
направленных 
на 
повышение 
эффективности работы жидкостных систем, в последнее время 
большое внимание уделяется разработке систем охлаждения 
приборов на основе более совершенных теплопередающих 
элементов – тепловых труб. 

Введение 
4

Специфические особенности тепловых труб позволяют трансформировать плотность тепловых потоков, разнести в пространстве 
источник и приемник теплоты, повысить изотермичность охлаждаемой поверхности и стабилизировать ее температуру без каких 
либо дополнительных затрат энергии. Однако широкому применению таких устройств препятствует ограниченность современных 
методов проектирования, позволяющих в наиболее полной мере 
реализовать их потенциальные возможности в условиях данного 
применения. 
Разработка высокоэффективного теплопередающего тракта 
является решением важной, но не единственной проблемы, 
возникающей при создании индивидуальных систем охлаждения 
приборов. Не менее важной остается проблема интенсификации 
теплообмена с окружающей средой. При этом особые сложности 
возникают в ситуациях, когда температура окружающей среды 
существенно превышает предельные допустимые значения для 
того или иного типа прибора. В таких условиях становится 
актуальным широкое применение малогабаритных термоэлектрических холодильников, обладающих высокой устойчивостью  
к вибрационным нагрузкам, а также возможностью работы при 
любых ориентациях в пространстве. 
Монография 
предназначена 
для 
инженерно-технических 
работников, деятельность которых связана с разработкой радиоэлектронного оборудования, как общего, так и специального назначения. Она также может быть использована в учебном процессе 
вузов, рабочие программы курсов которых содержат разделы 
теплового конструирования радиоэлектронной аппаратуры. 
 

Г л а в а  1 

ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ  

ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 

В настоящее время в плане повышения надежности работы и 
стабильности выходных параметров электронных приборов большое внимание уделяется не только совершенствованию традиционных способов охлаждения, но и поиску новых технических решений, обеспечивающих отвод и эффективное рассеяние тепловой 
энергии при минимальных энергетических и массо-габаритных 
показателях устройств в целом. 

1.1. Влияние теплового режима  
на надежностьи параметры приборов 

Под надежностью подразумевается свойство электронных приборов сохранять во времени значения всех параметров и выполнять 
требуемые функции в заданных условиях применения [1]. 
Надежность является составным понятием. Оно может включать в себя понятия безотказности, долговечности и сохраняемости. В электронной технике для количественной оценки 
надежности чаще всего используется параметр «интенсивность 
отказов» [2]: 

 
t
d
t
n
d
t
n
t
t
t
n
t
n
t
n
t
t
)
(
)
(
1
)
(
)
(
)
(
1
lim
)
(
0













. 
(1.1) 

Здесь 
)
(t
n
 и 
)
(
t
t
n


 – количество годных приборов в моменты времени t  и 
t
t


 соответственно. Следовательно, разность 
)
(
)
(
t
t
n
t
n



 характеризует количество приборов вышедших  
из строя в процессе испытаний на надежность за промежуток 
времени t
 . 
Интенсивность отказов 
)
(t

 быстро уменьшается в начале 
эксплуатации приборов (период приработки), затем длительное 
время остается постоянной 
const
)
(

 
 t
 и после исчерпания 
срока службы резко возрастает [3]. 

Глава 1 
6

Одним из основных факторов, отрицательно влияющих на 
надежность 
приборов, 
является 
температура. 
Это 
хорошо 
согласуется с физической теорией надежности, согласно которой 
эксплуатация любого технического устройства является необратимым процессом. Из-за наличия различного рода дефектов, 
образовавшихся на пути от исходного сырья до готового изделия, 
любое внешнее воздействие (электрическое, магнитное, тепловое, 
механическое и т.д.) вызывает ответную реакцию, которая 
сопровождается необратимым переходом всего объекта в иное 
предельное состояние (ухудшение выходных параметров или 
отказ). В соответствии с принципами термодинамики, такой 
переход связан с преобразованием энергии активации дефектов, 
средняя скорость рассеяния которой определяется соотношением 
Аррениуса1 [4]: 

 











T
k
W
h
T
k
a
V
exp
, 
(1.2) 

где a  – масштабный коэффициент; k  – постоянная Больцмана;  
T  – абсолютная температура; h  – постоянная Планка; W

 – энергия активации процесса. 
Исходя из этого, время, протекающее от начала эксплуатации 
до разрушения или достижения иного предельного состояния 
любого технического объекта, должно удовлетворять условию [4]: 

 













n

1
i
i

i
0
1
exp
T
W
k
t

, 
(1.3) 

где 
0
  – масштаб времени; 
i
W

 – величина активационного 

барьера или запас энергии до разрушения i  – й области; 
iT  – ее 
температура. 

                                                        
1 Данное соотношение характеризуется высокой общностью, что 
позволяет устанавливать температурно-временные закономерности для широкого 
круга физико-химических процессов. Так, например, по результатам обработки 
экспериментальных данных автором было установлено, что средняя скорость 
процесса протекания бактерицидной фазы свежевыдоенного молока также 
подчиняется соотношению Аррениуса. 

Проблема обеспечения теплового режима электронных приборов 
7

Величина 
активационного 
барьера 
i
W

 
может 
иметь 
различную природу. В связи с этим, для конкретного прибора 
динамика процессов разрушения различных областей может 
отличаться на несколько порядков. Поскольку определяющее 
значение имеет ресурс наиболее теплонапряженной области, то 
уравнение (1.3) можно свести к выражению [4]: 

 







T
b
t
exp
0

, 
(1.4) 

где b  – некоторый постоянный коэффициент, величина которого 
устанавливается путем статистической обработки опытных данных. 
Справедливость выражения (1.4) хорошо подтверждается 
многими экспериментальными исследованиями по долговечности 
различных радиотехнических устройств [4]. 
Основным источником проблем, связанных с обеспечением 
высокой надежности радиоэлектронного оборудования является 
внутренний фактор. Из анализа энергетических показателей 
электронной аппаратуры [5] следует, что в среднем только 5–10% 
подводимой мощности отводится в виде полезных сигналов. 
Остальная мощность рассеивается в виде тепла. Поэтому важно, 
чтобы тепловой режим работы приборов и оборудования 
соответствовал тем условиям, на которые они рассчитаны. 
Так, 
например, 
невыполнение 
этих 
условий 
для 
электровакуумных приборов вызывает интенсивное газоотделение 
с анода, «отравляющее» катод [6]. Превышение температуры 
сеточного блока электронных ламп приводит к возникновению 
остаточных деформаций в витках и траверсах и, как следствие, к 
изменению формы блока с нарушением условий формирования 
электронного потока [7]. Перегрев катода вызывает интенсивное 
испарение оксидного покрытия, что, в свою очередь, приводит к 
снижению электрической прочности прибора и увеличивает 
термоэмиссионную составляющую обратного тока [6]. 
Не менее жестким тепловым режимом характеризуется работа 
СВЧ приборов. В частности долговечность ЛБВ ограничена 
несколькими тысячами часов, что обусловлено расплавлением 
спирали, а также напылением ее материала на керамические 
стержни при перегреве [8]. 

Глава 1 
8

В газоразрядных приборах нарушение теплового режима 
водородного генератора сопровождается изменением рабочего 
давления газа. Это ухудшает стабильность управления разрядом, 
снижает электрическую прочность прибора и в отдельных случаях 
приводит к росту мощности, выделяющейся на его электродах [9]. 
Неравномерное распределение температуры по элементам 
электронных приборов может вызывать значительное отклонение 
важных геометрических размеров. В ряде случаев эта проблема 
представляет собой сложную задачу, как, например, при разработке 
электронных пушек, фокусирующих систем 
и резонаторов 
оптических квантовых генераторов [10]. 
Что касается дискретных полупроводниковых приборов, то их 
тепловой режим лимитируется не только свойствами полупроводниковых структур, но и температурой плавления припоев, 
применяемых при их изготовлении [11]. Тем не менее, основным 
результатом 
воздействия 
повышенных 
температур 
является 
тепловой пробой p-n–переходов. 
В случае интегральных микросхем и процессоров помимо 
теплового  пробоя p-n–переходов, среди возможных результатов 
воздействия повышенных температур отмечаются также пробой 
диэлектриков тонкопленочных конденсаторов, нестабильность и 
деградация электрических параметров, обрывы и короткие 
замыкания металлизации [12]. 
В целом же, применение полупроводниковых приборов 
значительно улучшает энергетические соотношения в радиоаппаратуре малой мощности [5], однако для них свойственна более 
сильная зависимость выходных параметров от температуры [13]. 

1.2. Основные виды теплопередачи, используемые  
в системах охлаждения электронных приборов 

Мощность, выделяющаяся в электронном приборе, может быть 
отведена и рассеяна в окружающее пространство несколькими 
методами. К основным из них относятся: излучение, теплопроводность и конвекция. Выбор конкретного способа теплоотвода 
определяется типом прибора, его конструктивными особенностями 
и условиями эксплуатации. 

Проблема обеспечения теплового режима электронных приборов 
9

1.2.1. Передача тепла излучением 

Расчет данного способа теплоотвода основывается на законномерностях излучения абсолютно черного тела, которые описываются законом Планка. Согласно этому закону, спектральная 
интенсивность излучения абсолютно черного тела (плотность 
потока излучения в пределах бесконечно малого интервала длин 
волн 

d
, отнесенная к этому интервалу), определяется выражением [14]: 

 

1

5

2

,
1
exp
2





















T
k
c
h
c
h
r
T





, 
(1.5) 

где   – длина волны излучения; c  – скорость света в вакууме. 
Длина волны 
max

, на которую приходится максимум 
спектральной плотности потока излучения абсолютно черного 
тела, определяется из уравнения 

0
λ



d
r
d
, что приводит к 
закону смешения Вина [14]: 

 
1
max


T
a

, 
(1.6) 

где a  – постоянная Вина. 
Выражение для интегральной плотности мощности 

q , 
излучаемой абсолютно черным телом, может быть получено из 

уравнения 




 

0
λ

d
r
q
. Его решение приводит к закону Стефана
Больцмана [14]: 

 
4
T
q



, 
(1.7) 

где   – постоянная Стефана-Больцмана. 
Закон Стефана-Больцмана позволяет определить плотность 
мощности, излучаемой единицей поверхности абсолютно черного 
тела по всем направлениям полусферического пространства. Для 
определения мощности 

dQ , излучаемой элементарной площадкой 
dF  абсолютно черного тела в направлении угла   в пределах 

Глава 1 
10

элементарного телесного угла 

d
, используется закон Ламбер- 
та [15]: 

 


cos





d
dF
q
dQ
. 
(1.8) 

Связь между плотностью мощности излучения реальных тел q  

и излучением абсолютно черного тела 

q  определяется законом 
Кирхгофа [15]: 

 


q
q

, 
(1.9) 

где   – степень черноты или коэффициент поглощения (излучения), зависящий от материала тела, состояния его поверхности и 
температуры [16]. 
С учетом (1.9) закон Стефана-Больцмана принимает вид: 

 
4
T
q


. 
(1.10) 

Как следует из уравнения (1.10), излучение наиболее 
существенным образом проявляется при температурах выше 400 К 
и учитывается в основном при анализе теплового режима внутренних деталей электровакуумных и газоразрядных приборов [15].  
В автономных системах охлаждения теплоотдающие элементы, как 
правило, имеют значительно меньшую температуру. Поэтому в 
таких системах теплообмен излучением может рассматриваться 
лишь в качестве дополнения к основному способу теплоотвода. 

1.2.2. Передача тепла теплопроводностью 

Основным соотношением, устанавливающим взаимосвязь 
между температурным полем в сплошной твердой среде и 
интенсивностью распространения в ней теплоты, является закон 
теплопроводности Фурье [17]: 
 
T
q
grad




, 
(1.11) 

где q  – вектор плотности теплового потока;   – коэффициент 
теплопроводности среды; 
T
grad
 – градиент температуры. 
Применение 
закона 
Фурье 
для 
случая 
трехмерного 
распространения 
тепла 
приводит 
к 
следующему 
общему 
выражению [18]: