Кратко — какие физкритерии и как оценивать.
1) Основные физические критерии выбора
- Тепловая нагрузка и плотность мощности: есть ли единичные горячие пятна или равномерное распределение. Если плотность большая (приблизительно $>1\text{–}5W/c{\mathrm{m}}^2$) — нужны высокоэффективные тепловые распределители (тепловые трубки/вакуумные камеры) или жидкостное охлаждение; при меньшей плотности часто достаточно радиатора с вентилятором.
- Требуемый перепад температур (температурный запас): допустимая разница между $T_{j,max}$ и $T_{amb}$.
- Ограничения по объёму/форм-фактору и ориентации (тепловые трубки чувствительны к ориентации и длине).
- Надёжность и отказоустойчивость (вентилятор — вспомогательная движущаяся часть; тепловая трубка пассивна).
- Шум, энергопотребление, стоимость, масса.
- Максимальный допустимый теплосъём с поверхности (тепловой поток, heat flux) — материал/интерфейс/пакет приборов.
2) Базовый расчёт эффективности отвода тепла при заданной плотности мощности
Шаги:
a) Суммарная мощность: $P=q^{\prime \prime }\cdot A_{\text{chip}}$, где $q^{\prime \prime }$ — плотность мощности, $A_{\text{chip}}$ — площадь источника тепла.
b) Требуемая внешняя тепловая сопротивляемость:
$$R_{\text{ext,req}}=\frac{T_{j,\max }-T_{amb}}{P}-R_{j-c},$$ где $R_{j-c}$ — сопротивление «кристалл→корпус».
c) Для радиатор+вентилятор внешнее сопротивление примерно
$$R_{\text{conv}}=\frac{1}{h{A}_s},$$ где $A_s$ — эффективная площадь отдачи тепла радиатором, $h$ — коэффициент теплоотдачи. Следовательно нужен
$$h\ge \frac{1}{R_{\text{ext,req}}{A}_s}.$$ Оценка $h$ через числа Нуссельта:
$$h=\frac{Nu{k}_{air}}{L_c},Nu=f(Re,Pr),$$ $$Re=\frac{\rho v{L}_c}{\mu },Pr=\frac{c_p\mu }{k_{air}}.$$ Для турбулентного потока по плоской пластине можно использовать приближенно $N{u}_x\approx 0.037R{e}_x^{4/5}P{r}^{1/3}$. Диапазоны практических $h$: естественная конвекция $h\approx 5\text{–}25W/{\mathrm{m}}^2\mathrm{K}$, принудительная в малых каналах/с центробежным вентилятором $h\approx 50\text{–}500W/{\mathrm{m}}^2\mathrm{K}$ (зависит от скорости и геометрии).
d) Для тепловой трубки/вакуумной камеры: модель как очень высокая эффективная теплопроводность до предела переноса тепла. Общее тепловое сопротивление
$$R_{\text{hp}}=R_{\text{evap\_int}}+R_{\text{cond\_int}}+R_{\text{pipe}}+R_{\text{interface}},$$ на практике $R_{\text{pipe}}$ очень мал и основной вклад дают контактные сопротивления и отвод тепла от конденсаторной стороны (обычно радиатор). Главное условие — максимальная передаваемая мощность тепловой трубки $q_{max}$ должна превышать $P$:
$$P\le q_{max}.$$ $q_{max}$ задаётся производителем или оценивается по предельным режимам (капиллятный, кипение, тепловой поток, гидродинамический предел). Типичные эффективные проводимости тепловых трубок и вакуумных камер эквивалентны проводимости $k_{\text{eff}}$ порядка $10^3\text{–}10^{5}W/mK$ для коротких размеров — это даёт малые $R$ на коротких расстояниях.
3) Практическая последовательность расчёта и решения
- Вычислить $P$ и требуемое $R_{\text{ext,req}}$ по пункту (b).
- Оценить, может ли радиатор с доступной площадью и допустимой скоростью воздуха обеспечить требуемый $h$ (через корреляции Nu → Re → скорость → требуемый воздушный расход и напор вентилятора). Если требуется немотивируемо большой поток/шум — вентилятор не годится.
- Оценить наличие/тип тепловой трубки: взять паспортное $q_{max}$ и паспортное $R_{\text{hp}}$ или оценить контактные сопротивления. Если $q_{max}>P$ и суммарный $R$ меньше $R_{\text{ext,req}}$ — решение рабочее.
- Проверить локальные тепловые потоки (горячие точки): тепловая трубка/вакуумная камера лучше выравнивают температуру и снижают локальные пиковые $q^{\prime \prime }$.
- Учесть надёжность (при отказе вентилятора температура резко растёт, при отказе тепловой трубки — обычно градиенты растут; тепловые трубки в вакууме со временем могут деградировать).
4) Практические пороги-правила
- Если $q^{\prime \prime }$ относительно низко ($\lesssim 0.1\text{–}0.5W/c{\mathrm{m}}^2$) и есть место под большой радиатор → пассивное/вентиляторное охлаждение часто достаточно.
- При $q^{\prime \prime }$ порядка $1W/c{\mathrm{m}}^2$ и выше рассматривают принудительную конвекцию и/или тепловые трубки/вакуумные пластины.
- Для точных граничных условий пользуйтесь расчётом $R_{\text{ext,req}}$ и проверкой $h$ и $q_{max}$.
5) Контрольные нюансы
- Всегда учитывать контактные сопротивления (ТЕРМОПАСТА/термопрокладки), они могут доминировать.
- Тепловая трубка не уменьшает необходимость в отводе тепла в окружающую среду — она только распределяет тепло; нужен радиатор/воздух для конечного рассеяния.
- Экспериментальная верификация (термопары, ИК-съёмка, тест при отказе вентилятора) обязательна.
Если нужно, могу дать пример числового расчёта: по заданным $q^{\prime \prime }$, $A$, $T_{j,max}$, $R_{j-c}$ и геометрии подсчитать требуемый $h$, требуемый поток воздуха и сравнить с типичными параметрами тепловой трубки.