传热基本知识

二、传热基本知识

电子设备的散热，依据的基本原理是热传导、热对流和热辐射。这三种方式往往同时存在，在考虑设备散热时可根据具体情况只考虑其中一种或二种主要的而忽略次要的。

1．热传导

(1)热传导的过程。热传导是指物体内部或两物体接触面之间的热能变换，如图2－16所示。图2－16(a)是同一个物体，若t₁＞t₂，则通过物体内部分子之间接触把热量Q从左端传到右端;图2－16(b)为两个温度不同的物体A与B，若A物体在接触面处的温度t_A高于B物体在接触面温度t_B，则热量Q从A物体传向B物体。

图2－16　热传导过程

(2)热传导的传热量计算。

表2－7　常用材料的导热系数λ(W/m℃)(试验温度20℃)

(3)导热系数λ。λ是一个表示材料导热能力的物理量。其物理意义是:在单位长度上，两端温差为一个单位时，单位时间里通过热能的多少，如λ= 407(W/m·℃)则表示在一米长度上二端温差为1℃时，每秒钟能通过的热能是407J。不同的材料导热能力不同，如金属的导热能力比非金属大，非金属导热能力比空气大。其数量表示即用导热系数λ表示。λ越大则导热能力越强，散热能力越强。导热系数λ的值小于0．23的材料通常称为绝热材料。一些常用材料的导热系数见表2－7。

图2－17　接触热阻的形成

(4)接触热阻。热阻是热流途径上的阻力，接触热阻是接触面之间热流途径上的阻力。接触热阻是接触传热很重要的一个影响因素。在两物体通过接触面传导时，接触热阻的大小是影响传导传热的关键因素，因此散热设计对此很重视。接触热阻是如何形成的呢?见图2－17，当两物体的表面接触时，理想的情况应该是紧密吻合的。但实际情况并非如此，它们是凹凸不平的，是点接触或线接触而并非面接触。其间的空隙充满空气，因而使两接触面的热传递受到很大阻力，此阻力即称接触热阻，用R _C表示。接触热阻的存在使热的传递很困难。要设法提高接触质量，减小接触热阻。

传导过程中还存在另一个热阻，见图2－18(a)，当热量从物体A的左端传到右端，以及从物体B的左端传到右端时，都要受到阻力，即都存在一个热阻，该热阻即为传导热阻，用R _S表示。R _S与材料的导热系数、导热面积及导热路径长度有关。这样，热量从t₁传到t₄，可以用三个热阻串联来表示，见图2－18(b)。总热阻为:

图2－18　传导途中的热阻

引入热阻的概念后，传导传热量Q可表示成:

式(2－23)与电工学中的欧姆定律类似，热流Q对应于电流I，温度差Δt对应于电位差ΔU，热阻R _T对应于电阻R，则可把传热学的问题按电路的问题进行处理。这种方法称为热电模拟。这个概念很有用，后面的热路图及热阻的串、并联计算都是按这一概念进行的，这给分析和计算带来了很大的方便。

热阻及热电模拟的概念虽然是从热传导现象中引出的，但同样适于对流及辐射传热中。传导热阻及接触热阻的计算公式为:

K _C是综合了接触热阻诸影响因素的一个实验数据。给出R _S及R _C的计算公式的目的不是为了计算，主要是为了从中看出其影响因素，从而找到提高热传导的措施。

(5)加强热传导散热的主要措施。

1)选用导热系数大的材料作为导热零件可降低传导热阻，如用铜或铝等材料作散热器。

2)扩大热传导零件间的接触面积，增加接触压力，接触表面应光滑平整。还可以在接触面间涂硅脂导热膏或垫入软金属箔，如铜片、铜箔等，以提高接触质量、降低接触热阻。

3)尽量缩短热传导路径。

2．热对流

(1)热对流的过程。流体(气体和液体)的流动即形成对流。对流可以是冷流体流经高温固体表面而带走热量，如图2－19所示。也可以是冷热流体之间的对流，因为冷热流体的密度不同，热流体上升，冷流体下降，形成上下置换位置的自然运动，从而带走热量，这种对流称为自然对流。如空气的自然对流是因空气受热后体积膨胀，故其密度和比重都要降低，热空气因较轻而上升，冷空气因较重而下降，形成了自然对流。自然对流的方向一般是在竖直方向进行。若流体的流动是在外力作用下进行的，如风力、鼓风机、水泵等，则这种对流称为强迫对流。本课程讨论的主要是自然对流。

图2－19　流体与固体间的对流

(2)对流换热的大小。固体表面和流体间的换热量与其间的温差及接触面积成正比，对流散热所传递的热量遵从牛顿定律，即

(3)对流换热系数α。与导热系数一样，对流换热系数是表示对流换热能力大小的物理量。物理意义是当固体与流体的温差为1℃时，在1m²的表面积上，每秒钟由流体从固体表面带走热量的焦耳数。影响对流的因素较多，而且影响的方式较复杂。这些因素有:流体介质的性质、对流的类型、流体的速度、散热物的形状、流体与物体的相对位置等。这些因素都综合到对流换热系数α里了，所以α的计算比较复杂，此处从略。

(4)加大对流换热的措施。

1)加大温差Δt，即降低物体周围对流介质的温度。

2)加大散热面积，如增加散热片，并使散热片纵向与气流方向一致。

3)合理布局，如正确安排进出风孔的位置，把元器件安排到有利于对流的位置上，气流要畅通等。

4)加大流体流动的速度，选择有利于对流换热的介质(如水比空气好)，以带走更多的热量。

3．热辐射

(1)热辐射的过程。热辐射是以电磁波(波长在0．1到100μ的范围内)辐射的方式进行的热能交换。只要温度存在，热辐射就会发生，只有当温度为绝对零度(－273℃)时，由于分子振动停止，热辐射才停止。

热辐射波射向物体后，一部分被物体吸收，一部分被物体反射，另一部分穿透物体。被吸收的那部分能量使物体的温度升高，而被反射及穿透物体的那部分能量，落在其他物体上后，也同样产生反射、吸收、穿透的过程。由此可见，一个物体不仅是在不停地向外辐射能量，而且还不断地吸收能量，这种能量的传递现象，就是辐射换热的过程。一个物体总的辐射能量是放热还是吸热，取决于该物体在同一时期内放射和吸收辐射能之差。

(2)辐射传递的热量的大小。物体与周围空气的辐射换热可按下式计算:

当Q为正时，表明物体向周围空气散热;当Q为负时，表明物体从周围空气吸热。

(3)增加辐射换热的措施

1)从表2－8可以看出，粗糙的表面比光亮的表面的表面辐射能力大，故常将发热元器件表面涂以深色的无光泽的粗糙的油漆，以增强辐射能力。

2)加大辐射体与周围环境的温差。

3)加大辐射体的表面面积。