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热阻与温度无关?

来源: 原创 / 作者: Johnson / 时间: 2018-03-03 11:52
热阻与温度无关? Johnson 从事热设计工作的朋友,对于热阻这个专业词汇会非常熟悉。理论分析,热路图,都少不了用到。 举例来讲,对流热阻可以表示成 其中代表对流换热系数,

 

热阻与温度无关?

Johnson

 

从事热设计工作的朋友,对于“热阻”这个专业词汇会非常熟悉。理论分析,热路图,都少不了用到。

举例来讲,对流热阻可以表示成

其中α代表对流换热系数,F代表对流换热面积

对于强迫对流换热,对流换热系数可以写成         

其中 L代表特征尺寸;λ代表导热系数;ν代表运动粘度;Pr代表普朗特数;u代表流速;C1mn代表常数。

一维导热的热阻表示成

其中 λ代表导热系数;δ代表导热路径长度;F代表导热路径的横截面积。

上述的,导热系数,运动粘度,普朗特数都是物性参数,它们大都是温度的函数。如下图中导热系数随温度变化曲线。

 

 

不过在一般的电子散热问题所涉及的温度变化幅度较小,这些参数变化幅度很小,为便于分析,可以假定它们是常数。表现出来,这些热阻也可以视为常数。这样分析问题非常方便。例如,强迫风冷,一个器件损耗50W时,温度稳定后其温升为30℃。若它的损耗调整为60W,其稳定温度约为36℃。否则,我们需要先假定一个温升以后,查表获得物性参数,然后再来迭代修正。

但是,这种“方便”用久了以后,大家比较容易产生一种错觉:热阻是独立的,跟温度关系不大。

因此,前不久,在热设计网QQ群(319322744)里,有人对“不同温度条件下,温差相同的两个物体之间的辐射换热量是不同的”这句话不能理解。

事实上,辐射换热表示为

 

其中 ε代表黑度;σ代表Stefan-Boltzmann常数;f12代表角系数;F代表辐射换热面积;T1T2代表12两物体的开尔文温度。

由此可知,即使温差T1-T2一定,如果T1T2比较高,辐射换热量会比较大。

如果表达成热阻的形式则是:

可见,辐射热阻跟温度是密切相关的,不能把它当做与温度无关的定值。

除了辐射换热,复杂的还有自然对流换热。自然对流换热系数可以表示成

而格拉晓夫数

于是,自然对流的热阻可以表示为

其中 L代表特征尺寸;λ代表导热系数;ν代表运动粘度;Pr代表普朗特数;g代表重力加速度;β代表膨胀率;F代表换热面积;ΔT代表温升;C2n代表常数。

由此可见,即使我们假定各个物性参数是常数,自热对流的热阻,依然跟温升ΔT相关。把自热对流热阻看成是与温度无关的定值,也会引起一定误差。

综合来讲,自然对流、辐射换热,不可以简单的把热阻看成与温度无关。

 

讲到自然对流,我们可以看到,换热系数与特征尺寸,相对重力的安装方向都有关,简单的假定一个对流换热系数,评估自然散热所需的面积是比较粗糙的。如同热设计网培训课程附带的作业题中所提的那样,同一个发热铜排,横放和竖放,它的温度差别是非常明显的。

自然对流散热的换热系数,自身又包含了温升,显得很复杂,但是热设计网的培训学员还是出色的掌握了评估的方法。

 

以下是某学员关于自然散热评估的作业

 

 

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