Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . ( Январь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Термическое сопротивление - это тепловое свойство и измерение разницы температур, при которой объект или материал сопротивляются тепловому потоку . Тепловое сопротивление является обратным по теплопроводности .
- (Абсолютное) тепловое сопротивление R в кельвинах на ватт (К / Вт) является свойством конкретного компонента. Например, характеристика радиатора .
- Удельное тепловое сопротивление или удельное тепловое сопротивление R λ в кельвин-метрах на ватт (К · м / Вт) является постоянной материала .
- Теплоизоляция измеряется в единицах квадратного метра кельвина на ватт (м 2 K / Вт) в единицах СИ или квадратного фута градуса Фаренгейта- часов на британскую тепловую единицу (фут 2 ⋅ ° F⋅h / Btu) в британских единицах . Это тепловое сопротивление единицы площади материала. С точки зрения изоляции, она измеряется с помощью R-значение .
Абсолютное тепловое сопротивление [ править ]
Абсолютное тепловое сопротивление - это разница температур в конструкции, когда через нее протекает единица тепловой энергии за единицу времени . Это величина, обратная теплопроводности . СИ единица абсолютного теплового сопротивления Кельвинов на ватт (K / W) или эквивалентные градусов по Цельсию на ватт (° C / Вт) - два являются одинаковыми , так как интервалы равны: Δ Т = 1 К = 1 ° С .
Тепловое сопротивление материалов представляет большой интерес для инженеров-электронщиков, поскольку большинство электрических компонентов выделяют тепло и нуждаются в охлаждении. Электронные компоненты работают со сбоями или выходят из строя, если они перегреваются, и некоторые части обычно требуют мер, принимаемых на этапе проектирования, чтобы предотвратить это.
Аналогии [ править ]
Инженеры-электрики знакомы с законом Ома и часто используют его в качестве аналогии при расчетах, связанных с тепловым сопротивлением. Инженеры-механики и конструкторы более знакомы с законом Гука и поэтому часто используют его в качестве аналогии при расчетах, связанных с тепловым сопротивлением.
тип | структурная аналогия [1] | гидравлическая аналогия | термический | электрическая аналогия [2] |
---|---|---|---|---|
количество | импульс [Н · с] | объем [м 3 ] | тепло [Дж] | заряд [C] |
потенциал | смещение [м] | давление [Н / м 2 ] | температура [K] | потенциал [V = J / C] |
поток | нагрузка или сила [Н] | расход [м 3 / с] | скорость теплопередачи [Вт = Дж / с] | ток [A = C / s] |
плотность потока | напряжение [Па = Н / м 2 ] | скорость [м / с] | тепловой поток [Вт / м 2 ] | плотность тока [Кл / (м 2 · с) = А / м 2 ] |
сопротивление | гибкость ( определенная реология ) [1 / Па] | сопротивление жидкости [...] | тепловое сопротивление [K / W] | электрическое сопротивление [Ом] |
проводимость | ... [Па] | проводимость жидкости [...] | теплопроводность [Вт / К] | электрическая проводимость [S] |
удельное сопротивление | гибкость [м / н] | удельное сопротивление жидкости | тепловое сопротивление [(м · К) / Вт] | удельное электрическое сопротивление [Ом · м] |
проводимость | жесткость [Н / м] | проводимость жидкости | теплопроводность [Вт / (м · К)] | электропроводность [См / м] |
линейная модель с сосредоточенными элементами | Закон Гука | Уравнение Хагена – Пуазейля | Закон охлаждения Ньютона | Закон Ома |
распределенная линейная модель | ... | ... | Закон Фурье | Закон Ома |
Объяснение с точки зрения электроники [ править ]
Эквивалентные тепловые схемы [ править ]
Тепловой поток можно моделировать по аналогии с электрической схемой, где тепловой поток представлен током, температуры представлены напряжениями, источники тепла представлены источниками постоянного тока, абсолютные тепловые сопротивления представлены резисторами, а тепловые емкости - конденсаторами.
На схеме показана эквивалентная тепловая схема для полупроводникового прибора с радиатором .
Пример расчета [ править ]
В этом разделе не процитировать любые источники . Январь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
Рассмотрим такой компонент, как кремниевый транзистор, который прикреплен болтами к металлическому каркасу части оборудования. Производитель транзистора указывает параметры в таблице данных, называемые абсолютным тепловым сопротивлением от перехода к корпусу (символ:) и максимально допустимой температурой полупроводникового перехода (символ:) . Спецификация конструкции должна включать максимальную температуру, при которой цепь должна функционировать правильно. Наконец, разработчик должен учитывать, как тепло от транзистора будет уходить в окружающую среду: это может быть конвекция в воздух, с помощью радиатора или без него , или за счет теплопроводности через печатную плату.. Для простоты предположим, что разработчик решает прикрепить транзистор болтами к металлической поверхности (или радиатору ), температура которой гарантированно ниже температуры окружающей среды. Примечание: T HS не определено.
Имея всю эту информацию, разработчик может построить модель теплового потока от полупроводникового перехода, где выделяется тепло, во внешний мир. В нашем примере тепло должно течь от перехода к корпусу транзистора, а затем от корпуса к металлоконструкциям. Нам не нужно учитывать, куда уходит тепло после этого, потому что нам говорят, что металлоконструкции будут проводить тепло достаточно быстро, чтобы поддерживать температуру ниже температуры окружающей среды: это все, что нам нужно знать.
Предположим, инженер хочет знать, сколько мощности можно вложить в транзистор, прежде чем он перегреется. Расчеты следующие.
- Общее абсолютное тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде =
где - абсолютное тепловое сопротивление связи между корпусом транзистора и металлоконструкциями. Этот показатель зависит от характера соединения - например, для уменьшения абсолютного термического сопротивления можно использовать термосклеивающую прокладку или термопасту .
- Максимальный перепад температуры от перехода до окружающей среды = .
Мы используем общий принцип, согласно которому падение температуры при заданном абсолютном тепловом сопротивлении при заданном тепловом потоке через него составляет:
- .
Подстановка наших собственных символов в эту формулу дает:
- ,
и, переставляя,
Теперь разработчик знает максимальную мощность, которую транзистор может рассеивать, поэтому они могут разработать схему, ограничивающую температуру транзистора до безопасного уровня.
Подставим несколько примеров номеров:
- (типично для кремниевого транзистора)
- (типовая спецификация торгового оборудования)
- (для типичного пакета TO-220 [ необходима ссылка ] )
- (типичное значение для эластомерной теплообменной прокладки для корпуса TO-220 [ необходима цитата ] )
- (типичное значение для радиатора для корпуса TO-220 [ необходима ссылка ] )
В результате получается:
Это означает, что транзистор может рассеять около 18 Вт, прежде чем он перегреется. Осторожный разработчик будет использовать транзистор на более низком уровне мощности, чтобы повысить его надежность .
Этот метод можно обобщить, чтобы включить любое количество слоев теплопроводных материалов, просто суммируя абсолютные термические сопротивления слоев и перепады температуры по слоям.
Получено из закона Фурье для теплопроводности [ править ]
Из закона Фурье для теплопроводности можно вывести следующее уравнение, которое действительно до тех пор, пока все параметры (x и k) постоянны по всему образцу.
куда:
- - абсолютное термическое сопротивление (К / Вт) по толщине образца
- - толщина (м) образца (измеренная на пути, параллельном тепловому потоку)
- теплопроводность (Вт / (К · м)) образца
- - удельное тепловое сопротивление (К · м / Вт) образца
- - площадь поперечного сечения (м 2 ), перпендикулярного пути теплового потока.
С точки зрения градиента температуры в образце и теплового потока, проходящего через образец, соотношение выглядит следующим образом:
куда:
- - абсолютное термическое сопротивление (К / Вт) по толщине образца,
- - толщина (м) образца (измеренная на пути, параллельном тепловому потоку),
- - тепловой поток через образец ( Вт · м −2 ),
- - градиент температуры ( К · м −1 ) по образцу,
- - площадь поперечного сечения (м 2 ), перпендикулярного пути теплового потока через образец,
- - разность температур ( K ) по образцу,
- - скорость теплового потока ( Вт ) через образец.
Проблемы с аналогией электрического сопротивления [ править ]
В обзорной статье 2008 года, написанной исследователем Philips Клеменсом Дж. М. Ласансом, отмечается, что: «Хотя существует аналогия между тепловым потоком за счет теплопроводности (закон Фурье) и потоком электрического тока (закон Ома), соответствующие физические свойства теплопроводности и электрического проводимость сводится к тому, чтобы сделать поведение теплового потока совершенно непохожим на поток электричества в нормальных ситуациях. [...] К сожалению, хотя электрические и тепловые дифференциальные уравнения аналогичны, ошибочно заключать, что существует какая-либо практическая аналогия между электрическим и Тепловое сопротивление. Это связано с тем, что материал, который считается изолятором с электрической точки зрения, примерно на 20 порядков менее проводящий, чем материал, который считается проводником, в то время как с термической точки зрения разница между «изолятором»а «проводник» - всего около трех порядков. Тогда весь диапазон теплопроводности эквивалентен разнице в электропроводности высоколегированного и низколегированного кремния ».[3]
Стандарты измерений [ править ]
Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Январь 2015 г. ) |
Тепловое сопротивление перехода к воздуху может сильно различаться в зависимости от условий окружающей среды. [4] (Более сложный способ выразить тот же факт - сказать, что тепловое сопротивление перехода к окружающей среде не зависит от граничных условий (BCI). [3] ) JEDEC имеет стандарт (номер JESD51-2) для измерения термическое сопротивление соединения электронных блоков при естественной конвекции и другой стандарт (номер JESD51-6) для измерения при принудительной конвекции .
Стандарт JEDEC для измерения теплового сопротивления переход-плата (актуальный для технологии поверхностного монтажа ) был опубликован как JESD51-8. [5]
Стандарт JEDEC для измерения термического сопротивления между переходом и корпусом (JESD51-14) является относительно новым, он был опубликован в конце 2010 года; это касается только корпусов, имеющих единый тепловой поток и открытую охлаждающую поверхность. [6] [7] [8]
Сопротивление композитной стены [ править ]
Параллельное тепловое сопротивление [ править ]
Как и в случае с электрическими цепями, полное тепловое сопротивление для установившегося режима можно рассчитать следующим образом.
Общее термическое сопротивление
(1)
Упрощая уравнение, получаем
(2)
С учетом термического сопротивления теплопроводности получаем
(3)
Сопротивление последовательно и параллельно [ править ]
Часто целесообразно предполагать одномерные условия, хотя тепловой поток многомерен. Теперь для этого случая можно использовать две разные схемы. Для случая (а) (показанного на рисунке) мы предполагаем изотермические поверхности для нормальных к направлению x, тогда как для случая (b) мы предполагаем адиабатические поверхности, параллельные направлению x. Мы можем получить разные результаты для общего сопротивления, и соответствующие фактические значения теплопередачи заключены в скобки . Когда многомерные эффекты становятся более значительными, эти различия увеличиваются с увеличением . [9]
Радиальные системы [ править ]
Сферические и цилиндрические системы можно рассматривать как одномерные из-за градиентов температуры в радиальном направлении. Стандартный метод может использоваться для анализа радиальных систем в условиях стационарного состояния, начиная с соответствующей формы уравнения теплопроводности, или альтернативный метод, начиная с соответствующей формы закона Фурье . Для полого цилиндра в установившемся режиме без тепловыделения подходящая форма уравнения теплопроводности имеет вид [9]
(4)
Где рассматривается как переменная. При рассмотрении соответствующей формы закона Фурье физическое значение рассмотрения как переменной становится очевидным, когда скорость, с которой энергия проходит через цилиндрическую поверхность, представлена как
(5)
Где область, перпендикулярная направлению теплопередачи. Уравнение 1 подразумевает, что величина не зависит от радиуса , из уравнения 5 следует, что скорость теплопередачи является постоянной в радиальном направлении.
Чтобы определить распределение температуры в цилиндре, уравнение 4 может быть решено с применением соответствующих граничных условий . В предположении, что постоянный
(6)
Используя следующие граничные условия, можно вычислить константы и
и
Общее решение дает нам
и
Решение для и и подставляя в общее решение, получим
(7)
Логарифмическое распределение температуры схематически показано на вставке эскиза рисунка. Предполагая, что распределение температуры, уравнение 7, используется с законом Фурье в уравнении 5, скорость теплопередачи может быть выражена в следующей форме
Наконец, для радиальной проводимости в цилиндрической стенке тепловое сопротивление имеет вид
такой, что
См. Также [ править ]
- Тепловая инженерия
- Тепловая схема питания
- Безопасная рабочая зона
Ссылки [ править ]
- ^ Тони Эбби. «Использование FEA для термического анализа». Журнал Desktop Engineering. 2014 июнь. п. 32.
- ^ «Дизайн радиаторов» .
- ^ а б Ласанс, CJM (2008). "Десять лет независимого от граничных условий компактного теплового моделирования электронных деталей: обзор". Теплообменная техника . 29 (2): 149–168. Bibcode : 2008HTrEn..29..149L . DOI : 10.1080 / 01457630701673188 .
- ^ Хо-Мин Тонг; И-Шао Лай; КП Вонг (2013). Расширенная упаковка Flip Chip . Springer Science & Business Media. стр. 460 -461. ISBN 978-1-4419-5768-9.
- ^ Юнес Шабани (2011). Теплообмен: тепловое управление электроникой . CRC Press. С. 111–113. ISBN 978-1-4398-1468-0.
- ^ Клеменс Дж. М. Ласанс; Андраш Поппе (2013). Управление температурным режимом для светодиодных приложений . Springer Science & Business Media. п. 247. ISBN. 978-1-4614-5091-7.
- ^ «Эксперимент против моделирования, часть 3: JESD51-14» . 2013-02-22.
- ^ Швейцер, Д .; Pape, H .; Chen, L .; Kutscherauer, R .; Уолдер, М. (2011). «Переходное измерение двойного интерфейса - новый стандарт JEDEC для измерения термического сопротивления перехода между корпусом». 2011 27-й ежегодный симпозиум IEEE Semiconductor по тепловым измерениям и управлению . п. 222. DOI : 10,1109 / STHERM.2011.5767204 . ISBN 978-1-61284-740-5.
- ^ a b Incropera, Девитт, Бергман, Лавин, Фрэнк П., Дэвид П., Теодор Л., Эдриенн С. (2013). Принципы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья; 7-е издание, международное издание. ISBN 978-0470646151.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
10. К. Эйналипур, С. Садегзаде , Ф. Молаи. «Инженерия межфазного термического сопротивления гетероструктуры полианилин (C3N) -графен», Журнал физической химии, 2020. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.0c02051
- Михаэль Ленц, Гюнтер Стридл, Ульрих Фрелер (январь 2000 г.) Термическое сопротивление, теория и практика . Infineon Technologies AG , Мюнхен , Германия .
- Directed Energy, Inc./IXYSRF (31 марта 2003 г.) R Theta And Power Dissipation Technical Note . Ixys RF , Форт-Коллинз, Колорадо. Пример расчета теплового сопротивления и рассеиваемой мощности в полупроводниках.
Дальнейшее чтение [ править ]
По этой теме существует большое количество литературы. В общем, работает , используя термин «термическое сопротивление» более инженерно-ориентированный, в то время работ с использованием термина теплопроводности больше [pure-] Физика-ориентированным. Следующие книги являются репрезентативными, но их можно легко заменить.
- Терри М. Тритт, изд. (2004). Теплопроводность: теория, свойства и приложения . Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-306-48327-1.
- Юнес Шабани (2011). Теплообмен: тепловое управление электроникой . CRC Press. ISBN 978-1-4398-1468-0.
- Синцунь Колин Тонг (2011). Современные материалы для терморегулирования электронных корпусов . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4419-7759-5.
Внешние ссылки [ править ]
- Гопин Сюй (2006 г.), Управление температурным режимом для электронных корпусов , Sun Microsystems
- http://www.electronics-cooling.com/2012/09/update-on-jedec-thermal-standards/
- Важность термического сопротивления почвы для энергетических компаний