Vad handlar värme och elektronikkylning om, och varför skall jag bry mig
Del I – Grunder. Elektronikkylning – Thermal Management – är ett centralt och eskalerande problem för svensk elektronikindustri. Denna serie korta artiklar går igenom grunderna för vad värme är, kopplingen mellan värme och elektronik, och några enkla grunder för hur vi som ingenjörer i industrin kan tänka på värme och räkna på termiska problem.
Värme in kommer alltid att vara lika med värme ut. Det är bara en fråga om hur varm värmekällan behöver bli för att värmen skall kunna avges i samma takt som den genereras.
Det första och mest fundamentala faktum som rör elektronikkylning och som vi behöver känna till är detta:
All elektronik genererar värme.
Elektroner som rör sig genom material möter motstånd och genererar därigenom värme, jämförbart med mekanisk friktion. Ju högre elektrisk effekt som passerar genom materialet, desto större blir också värmen som genereras. Den elektriska effekt som godtycklig enhet matas med – oavsett om det är en hel apparat eller en enskild komponent – är:
Qtot = U · I
Där Qtot är den totala effekten [W], U är spänningen [V], och I är strömmen [A].
Den effekt som används för att åstadkomma önskad output från en enhet definieras av dess verkningsgrad,η. Resten, 1–η, är förlust, och går ut som värme. Således är den förlusteffekt som genereras i enheten:
Q = U · I · (1–η)
I varje tillämpning måste kyllösningen kunna avge denna mängd värme, annars ackumuleras värmen i form av förhöjd temperatur.
Den sista bisatsen i föregående stycke är avgörande för att förstå värme: ”värme ackumuleras i form av förhöjd temperatur”. Det är vanligt att tänka på värme som temperatur, men i själva verket är temperatur en följd av värme – ansamlad termisk potential, om man så vill.
Värme förflyttas från hög temperatur till låg temperatur – från varmt till kallt. Värme kan endast glida ner en termisk gradient på det sättet. Om det inte finns någon termisk gradient – ingen potentialskillnad – rör sig heller inte värmen. Hur brant gradientens lutning måste vara för att värmen skall förflyttas längst den beror på den termiska resistansen i det medium som värmen skall röra sig genom.
Om det inte finns någon temperaturskillnad, men det finns en värmekälla – dvs. en termisk effekt – kommer effekten att ackumuleras som en höjd temperatur vid den punkt där den genereras, tills det blir en temperaturskillnad, och vidare tills gradientens lutning blivit tillräckligt brant för att värmen ska ”glida” längst den i samma takt som den genereras igenom befintlig resistans.
Denna korrelation låter sig beskrivas enligt följande:
Δt = Q · Rθ
Där Δt är temperaturskillnaden mellan värmekällan och omgivningen [K eller °C], är Q den termiska effekten [W] – i de flesta fall identiskt samma värmeeffekt som den som genereras i den tidigare formeln – och Rθ är det termiska motståndet [K/W]. Denna energibalans – och dess konsekvens – är viktig att förstå: värme in kommer alltid att vara lika med värme ut. Det är bara en fråga om hur varm värmekällan behöver bli för att värmen skall kunna avges i samma takt som den genereras.
Således kan vi arrangera om och slå ihop de två sista formlerna:
Δt, som alltså är lika med värmekällans temperatur minus omgivningstemperaturen, bestämmer vilken temperatur vi i slutändan får i komponenterna (här förenklar vi bort t.ex. instrålad värme från omgivningen). Om vi vill hålla den så låg som möjligt kan vi antingen minska input – vänster sida av ekvationen – genom att använda mindre effekt och/eller använda komponenter med högre verkningsgrad, eller minska den variabel som vi har kvar på outputsidan: det termiska motståndet. Mer om detta i fjärde avsnittet i denna serie.
På partikelnivå är värme vibration – molekyler och atomer som vibrerar. Mata in energi i en sådan partikel, och den kommer att lagra denna energi i form av en ökad vibrationsfrekvens. Ju högre frekvensen är, desto högre är den termiska potentialen, dvs. temperaturen. Ingen vibration alls är liktydigt med ingen temperatur – dvs. absolut noll (0K eller –273,15°C). Denna vibration kan överföras mellan partiklar genom tre fysiska mekanismer: ledning, konvektion och strålning.
Vi kommer att i de närmaste avsnitten i tur och ordning titta lite närmare på dessa.
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!
