Vad handlar värme och elektronikkylning om, och varför skall jag bry mig?
Del IV – Beräkning av termisk budget. Vi fortsätter vår serie om elektronikkylning och denna gång fördjupar vi oss i beräkningar. Medan Fouriers lag, Newtons regel och den förenklade Stefan-Boltzmanns lag är användbara verktyg, tenderar de flesta approximeringar på lägre nivå istället att förlita sig på termisk resistans. Enheten för termisk resistans är K/W eller °C/W. Det vill säga, hur många grader kommer temperaturen att öka över motståndet per watt termisk energi som överförs genom den.
Det är värt att understryka att area är en nyckelfaktor för låg termisk resistans. Därför är spridning av värmen så mycket och så tidigt som möjligt i värmeöverföringskedjan ofta avgörande för framgångsrik termisk design.
Vi har redan berört en definition av termisk resistans:
Det är i viss mening analogt med Ohms lag, där elektrisk resistans är lika med spänning över ström. Det är detsamma här: resistansen är lika med potentialen över flödet. Om vi pluggar in Fouriers lag i denna formel kan vi komma fram till en definition av termisk resistans för konduktiv värmeöverföring:
För konvektiv värmeöverföring kan vi istället plugga in Newtons regel och komma fram till följande:
Med en lämplig justering av h-värdet är denna formel faktiskt användbar även för de kombinerade effekterna av konvektiv och radiativ värmeöverföring, eftersom dessa vanligtvis förekommer samtidigt.
Dessa formler möjliggör beräkning av termisk resistans för de flesta komponenter i en värmeöverföringskedja, helt enkelt genom att plugga in kända geometrier och materialdata i formlerna. Det noteras att den termiska resistansen är ett applikationsspecifikt värde – den beror på geometrier och andra specifika omständigheter som inte nödvändigtvis kan överföras till andra applikationer.
Termisk resistans är bekväm att använda, eftersom motstånd i en värmeöverföringskedja – antingen empiriskt bestämd, beräknad eller avläst från datablad – enkelt kan adderas på samma sätt som elektriska resistanser.
En junction-to-case-resistans från ett komponentdatablad kan således adderas till den beräknade resistansen för en termisk interface-pad, till vilken en termisk resistans för en kylfläns kan adderas från ett annat datablad, för att ge en grov aning om var junction-temperaturen kan förväntas landa vid en viss given förlusteffekt och omgivningstemperatur.
Även om termisk resistans på många sätt är analogt med Ohms lag, är analogin också begränsad – Ohms lag beskriver endimensionellt flöde, men värme rör sig tredimensionellt. Icke desto mindre låter sig många problem förenklas till en dimension, då lagen också blir tillämpbar.
Det är värt att understryka ytterligare en gång – såsom framgår av formlerna ovan – att area är en nyckelfaktor för låg termisk resistans. Därför är spridning av värmen så mycket och så tidigt som möjligt i värmeöverföringskedjan ofta avgörande för framgångsrik termisk design.
I nästa avsnitt skall vi titta närmare på de utmaningar vi står inför avseende Thermal management och elektronikkylning.
Expertisen inom elektronikkylning träffas på Cool Sweden Workshops 2025
Den 29 april samlas expertisen inom Thermal Management på Stockholmsmässan för en dag med workshops och föreläsningar inom det heta ämnet elektronikkylning. Som deltagare får du kunskap om den senaste tekniken inom Thermal Management och elektronikkylning. Du får möjlighet att diskutera med presentatörer, utställare, demopartners och övriga deltagare. Du träffar rätt människor, i rätt sammanhang.
Välkommen till Cool Sweden Workshops 2025!