Vad handlar värme och elektronikkylning om, och varför skall jag bry mig?
Del II – Konduktiv och konvektiv värmeöverföring. Vi fortsätter vår serie om elektronikkylning, och varför detta är så viktigt! Ledning är värmeöverföring i fasta material eller stillastående fluider (en ”fluid” inom fysik avser godtycklig vätska eller gas). Det handlar enkelt uttryckt om att vibrationen i en partikel smittar av till närliggande partikel, och sedan till nästa, och nästa och så vidare. Detta kan också beskrivas i Fouriers lag.
Den termiska konduktiviteten är en materialegenskap som beskriver hur lätt värme leds genom materialet i fråga. Det är en bulkegenskap, vilket innebär att det – givet ett isotropt material – alltid kommer att vara konstant, oavsett geometri.
Ledning beskrivs matematiskt av Fouriers lag, enligt följande:
Där Q är den termiska effekt som förs genom materialet [W], A är ledarens tvärsnittsarea [m2], Δt är temperaturskillnaden över materialet [K eller °C], och Δx är ledarens längd [m].
Detta lämnar k, som är materialets termiska konduktivitet [W/(m·K)].
Den termiska konduktiviteten är en materialegenskap som beskriver hur lätt värme leds genom materialet i fråga. Det är en bulkegenskap, vilket innebär att det – givet ett isotropt material – alltid kommer att vara konstant, oavsett geometri. Anisotropa kroppar (som t.ex. en PCB) kan dock ha olika konduktivitet i olika riktningar.
Skalan för termisk konduktivitet sträcker sig från 0,02W/(m·K) för stillastående luft, genom 0,2 för de flesta polymerer, cirka 16 för rostfritt stål, runt 200 för typisk aluminiumextrusion, 398 för koppar, upp till cirka 2 000W/(m·K) för diamant och slutligen grafen, som kan ha en konduktivitet i plan på upp till 5 000W/(m·K), beroende på vem som mäter det och hur.
Konvektion
Konvektion inträffar när nästa partikel i kedjan som fångar upp vibrationen inte längre är låst av sina grannar utan är fri att sväva iväg. På så sätt bär den vibrationen – dvs. den termiska ”laddningen” – med sig. Den kan sedan träffa på en annan partikel någon annan stans, till vilken den då kan överföra sin värme genom ledning.
Den konvektiva värmeöverföringen från en yta till en omgivande fluid beskrivs av Newtons regel:
Q = h · A · Δt
Där Q fortfarande är överförd termisk effekt [W], A är konvektionsytans area [m2], och Δt är temperaturskillnaden mellan ytan och den omgivande vätskan [K eller °C].
Variabeln h är värmeöverföringstalet [W/(m2·K)].
Värmeöverföringstalet beror på ett mycket stort antal faktorer, inklusive (men på intet sätt begränsat till) konvektionsmekanism (naturlig eller forcerad konvektion), konvektionsytans geometri (vertikal platta, horisontell cylinder, insidan av ett cylindriskt rör etc), konvektionsfluid (luft, vatten, mineralolja etc), och karakteristiken på flödet över ytan (snabb, långsam, laminär, turbulent etc).
Värdet på h kan typiskt sträcka sig från låga ensiffriga tal för naturlig konvektion i luft till flera tusen för forcerad konvektion i vatten – och ytterligare mycket högre, om fasändring (kokning) förs in i ekvationen.
Expertisen inom elektronikkylning träffas på Cool Sweden Workshops 2024
Den 7 maj 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 2024!
