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CFD热设计:热阻,热阻,热阻
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CFD热设计(四):热阻,热阻,热阻
 
 
 
今天带大家了解下:热阻。热阻是初学者很容易忽略或者不重视的,但其实热阻非常重要。在讲解传热学后面的知识要点时,会经常涉及到热阻,所以这节课皇马赞助商深入探索下什么是热阻!
 
热阻公式
热阻指的是当有热量在物体上传输时,物体两端温度差与热源的热功率之间的比值,表示了热量转移过程中的阻力,单位为开尔文每瓦特(K/W)或摄氏度每瓦特(℃/W)。
 
从公式中皇马赞助商可以看出:任何两个有热传导(固体传导和流体介质传导)的等温面(可以是平面,也可以是曲面)之间都会有热阻。所以热阻实际上无处不在。
 
 
下面皇马赞助商以简单的平板传热来说明热阻的推导,在推导之前,皇马赞助商先介绍导热基本定律。
导热基本定律(傅里叶定律)
在纯导热中,单位时间内通过指定面积的热量Q,与该点的温度梯度和垂直于导热方向的截面积A成正比,其表达式为:
 
 
平板导热计算
一单层平壁板的厚度为δ,其高度和宽度尺寸很大,平壁两侧温度为T1和T2,材料导热系数为K,垂直于导热方向的横截面面积为A,取坐标轴如下图。
 
 
对于平壁导热,皇马赞助商可以简化成如下形式,Q=△T/Rt
是不是和电学中的电阻有点像?电阻两端电压为U,通过电流为I,有I=△U/R
所以皇马赞助商可以把传递的热量Q比作电流I,温差△T比作电压差△U,热阻Rt比作电阻R。这样,对于一维导热,热阻的计算也可以像电学中电阻那样看待,也符合串联/并联定律,可以大大简化计算。
 
接触热阻
当热量流过相接触的固体交界面时,由于固体表面不可能是绝对平整和光滑的,两表面的接触仅是离散的面或者点接触,不可能完全紧密接触。两个面之间会存在空气间隙,而空气的导热系数极低,在30℃时导热系数仅为0.027W/(m·℃),所以两个面之间会有温度差,从而存在热阻,称之为接触热阻。
 
 
因为空气导热系数极低,所以接触热阻很大,工程上是不允许的,接触热阻无法避免,但可以尽量减小。减小接触热阻的措施有:
在接触表面间直接填充导热界面材料TIM(Thermal InterfaceMaterial),如大家常用的导热硅脂、导热硅胶片等
加大接触面的接触压力,实验表明接触压力应接近2x103kPa
               
提高接触面的加工精度,使其更光滑
 
扩散热阻
当热量传递路劲上的横截面积突然变大或变小时,引起热量横向扩散或收缩所附加的热阻称之为扩散热阻。如下图所示:
散热片就是扩散热阻的一个典型事例,其基底厚度(base thickness)和翅片高度影响散热片和环境之间的热阻(散热片的知识皇马赞助商会在后面章节单独讲解)。
 
散热翅片高度一定条件下基底厚度对热阻的影响
 
结语
在热设计中,皇马赞助商一定要多注意热阻,因为其无处不在,又容易让人忽略。很多人设计的散热系统看似高效,如果忽略热阻,可能实际的散热效率会大打折扣。
 
 
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