Vad handlar värme och elektronikkylning om, och varför skall jag bry mig?
Del III – Radiativ värmeöverföring. Vi fortsätter vår serie om elektronikkylning med fenomenet strålning. De varma – vibrerande – partiklarna avger vågor i form av elektromagnetisk strålning i takt med sin vibration. Ju högre vibrationsfrekvens – dvs. temperatur – desto högre frekvens – dvs. kortare våglängd – har strålningen. När denna strålning träffar en annan partikel kommer den partikeln att fånga en del av vågens energi, något liknande resonans i föremål som träffas av ljudvågor.
I samtliga formler är det uppenbart att ju större temperaturskillnad som finns i systemet, desto mer värme kommer att flöda.
Den lägsta kända temperaturen i naturen är den kosmiska bakgrundsstrålningen vid 2,7K som toppar vid cirka 1mm våglängd – den allra översta änden av EHF-radiobandet. Typiska omgivningstemperaturer på jordens yta är runt 300K, som toppar vid cirka 10μm, dvs långvågigt infrarött, medan ytan av vår sol vid 6 000K toppar vid cirka 500nm, vilket är mitt i spektrumet av synligt ljus. Vissa supernovor värmer upp sina gaser till uppemot 55 000 000K, som toppar någonstans i nanometerregionen, dvs. röntgenstrålning.
Matematiskt beskrivs värmestrålningen från en kropp av den bedrägligt enkla Stefan-Boltzmanns lag:
Men värmeavledning genom strålning är något komplicerad att beräkna, för det första på grund av att det rör sig om ett värmeutbyte – eftersom alla kroppar utstrålar värme, innebär det att medan en kropp avger värme kommer den samtidigt också att ta emot värme från sin omgivning – och för det andra på grund av att utbytet är avhängigt en lång rad geometrifaktorer.
Men om vi kan anta att den studerade kroppens yta är mycket mindre än omgivningens yta och att denna omgivning har en mer eller mindre enhetlig temperatur, kan nettoutbytet förenklas enligt följande:
Där T1 är den absoluta yttemperaturen för den emitterande kroppen [K], T2 är den absoluta yttemperaturen för den omgivande miljön [K], A1 är den totala ytan för den emitterande kroppen [m2] och σ är Stefan-Boltzmanns konstant [~5,7·10-8W/(m2·K4)].
Den slutliga variabeln ε1 är den strålande ytans emissivitet.
Emissivitet representerar en ytas effektivitet med avseende på att avge sin termiska energi som strålning. Den är ett värde mellan 0 och 1, där 1 representerar en ideal svartkropp. För de flesta ogenomskinliga fasta material är ε även lika med α, absorptiviteten, vilket är en ytas förmåga att absorbera termisk energi som den träffas av.
Värdet är också beroende av temperaturområdet, dvs strålningens våglängd. Således kan en yta mycket väl t.ex. ha en struktur som är utstrålande i infrarött, samtidigt som den har en färg som reflekterar den synliga värmestrålningen från solen.
När vi studerar formlerna för ledande, konvektiv och radativ värmeöverföring är det värt att notera att vissa parametrar återkommer i samtliga. En är temperaturskillnaden. I samtliga formler är det uppenbart att ju större temperaturskillnad som finns i systemet, desto mer värme kommer att flöda.
Ännu mer intressant är dock observationen att arean är en viktig faktor i alla tre formler. Ju större yta, desto bättre värmeöverföring – med andra ord, om vi kan ha större ytor kan vi minska temperaturskillnaden för en given termisk effekt. Detta är viktigt för kylning, eftersom värmekällans – dvs. komponentens – temperatur i slutändan kommer att vara lika med den temperaturskillnad som läggs till ovanpå den omgivande temperaturen.
Vi kan alltså börja dra slutsatsen att ökning av arean – värmespridning – kommer att vara en nyckeluppgift i all termisk design.
I nästa avsnitt skall vi titta på ett enkelt beräkningsverktyg för snabba överslagsräkningar om en applikations termiska budget!
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!
