7.1 Способи передачі тепла від поверхні нагрітого елементу

У процесі роботи ЗВТ тільки доволі незначна частина його енергії перетворюється у корисні сигнали, а більшість її виділяється у навколишній простір у виді тепла. Перенесення тепла від нагрітих елементів схеми до холодних відбувається за допомогою теплопровідності, теплового випромінювання та теплової конвекції [2, 21].

Процес передачі тепла за допомогою теплопровідності є характерним для твердих тіл і пояснюється обміном кінетичної енергії між різними частинами одного твердого тіла, або кількома твердими тілами, які знаходяться в контакті внаслідок різної температури певних точок цих тіл. Процес теплопередачі за допомогою теплопровідності описується законом Фур’є:

, (7.1)

де Р – величина теплового потоку, Вт;

 - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК);

Т1, Т2 – температури досліджуваних точок тіла, К;

S – площа перерізу предмету, через який здійснюється теплообмін, м2;

l- довжина шляху теплового потоку, м.

Величина  залежить від властивостей твердого тіла. Потік теплоти від нагрітого елемента завжди напрямлений в сторону нижчої температури. Кількість теплової енергії, яка передається від нагрітого тіла є пропорційною тепловій провідності контакту.

Теплове випромінювання – це передача теплової енергії у виді електромагнітних коливань. Явище теплового випромінювання описується законом Стефана-Больцмана:

, (7.2)

де С_о – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла;

Со = 5,673 Вт/(м^2К⁴);

- ступінь чорноти випромінюваної поверхні (залежить від матеріалу);

Т, Т_с – температури нагрітого тіла і навколишнього середовища, К;

S – площа нагрітої поверхні, м².

Теплова конвекція – це процес теплообміну за рахунок контакту нагрітого предмета з навколишнім середовищем (газом або рідиною). Цей процес описується законом Ньютона-Ріхмана:

, (7.3)

де - коефіцієнт теплопередачі конвекцією, Вт/(Км2).

Конвекція називається вільною, якщо відбувається при русі середовища за рахунок різниці густин холодної і гарячої його ділянок.

Примусова (вимушена) конвекція охолоджуючих газів, або рідин може протікати у ламінарному, перехідному, або турбулентному режимах. Останній з них є найбільш інтенсивний з кута зору теплообміну.

При певних потужностях розсіювання поверхня корпуса напівпровідникового елементу не може забезпечити необхідну теплопередачу в навколишнє середовище, тому для покращення тепловіддачі застосовують різні тепловідвідні пристрої. Існує декілька способів охолодження напівпровідникових елементів. Найпростішим можна вважати спосіб охолодження за рахунок циркуляції повітря при штучному збільшенні поверхні теплообміну шляхом використання радіаторів. При цьому напівпровідниковий елемент має бути жорстко прикріплений до радіатора і віддавати останньому велику частину тепла. Нагріте повітря піднімається вверх, а на його місце поступає холодне повітря. За таким принципом відбувається постійний теплообмін між повітрям і радіатором.