热设计丨TEC热电制冷器（二）

本文是热阻系列最后一篇，主要是接触热阻相关内容，软件中接触热阻设置方法，以及影响接触热阻因素。1 Workbench接触热阻设置方法在热分析丨热阻（二）最后一部分内容，写到了在Workbench中设置接触热阻方法，这里补充不同接触类型，pinball设置热传导作用区域大小。接触中的热传导。默认：程序控制，热阻为 0。手动：输入热传导值，如 3000W/m2℃。如果初始已经接触，产生热传导。如果初始未接触，不发生热传导。注意：不同接触类型，球形区域热传导情况（pinball设置）。举例：对于使用螺钉紧固的盖板与箱体，连接处不可避免存在空气缝隙，若存在2道间隙，则结构件之间热传导可以预估为：0.0125/（0.02e-03）≈600W/（m2.℃）。2 Icepak接触热阻设置方法使用自建模工具中plate板工具。在芯片和电路板之间建立plate模型，尺寸和热源相同。注意：建模时芯片和电路板之间不留存间隙。方法1：plate的conducting thin导热薄板，设置有效厚度0.0032mm，设定导热界面材料。注意：plate表热传导热的薄壳模型，与传导厚板的属性输入面板无区别，但薄壳模型无真实厚度。对于厚度特别薄的壳体，如果细长比小于0.01，使用plate非常好用的。但在计算时，软件会自动考虑effective thickness所导致的热阻。方法2：plate的接触热阻contact resistance用于设置两接触面之间导热硅脂、导热垫片等的接触热阻。热参数定义设置，热阻有3种类型：类型1：厚度thickness 软件自动根据设置厚度和导热率值、导热界面材料面积计算出接触面之间的热阻值。类型2：热阻抗thermal impedance如果材料说明书有提供相关参数，可以选择该类型，软件自动根据输入数值计算接触面之间的热阻值。类型3：热阻thermal resistance手动计算出接触热阻值，软件自动计算接触热阻产生的温差。注意：在块和块的接触处，可以对接触面单独设置接触。3 不理想的接触热阻在热分析中，对接触热阻设置，都是理想化的处理，而真实的情况却并非如此，在热分析丨热阻（二）提到接触热阻的影响因素。图 接触热阻（讯飞星火AI生成）再重复一下影响接触热阻的因素：接触材料性能、接触界面压力、接触面粗糙度、接触面温度等。（1）材料性能：接触表面材料的导热系数（影响传热能力）、硬度（影响表面变形），接触时物体表面粗糙峰会发生不同程度变形，从而影响接触界面的真实接触面积，进而影响接触热阻大小；（2）接触界面压力：受到外界压力作用时，接触表面粗糙峰变形导致界面间隙减小，增大接触面积，减小接触热阻。注意：界面压力并非是越大越好，压力太小效果不明显，压力太大时又趋于稳定。应结合表面粗糙度，合理控制压力。（3）表面粗糙度：下文详细描述。（4）界面稳定：实际应用中，物体间的温度不同，材料的物性参数不同，影响材料的变形情况，进而影响接触热阻。（5）界面填充材料：界面之间安全高导热填充剂一直是热设计领域的热门话题，填充界面间隙区域，减少热流收缩，减小接触热阻。好友问，如何从热分析角度定量分析粗糙度对热阻究竟有多大影响？能整出个公式不？说实话当时就把我问懵了，电子领域的热设计多是小尺寸，大量级，别说用手指拿，甚至小镊子去夹那些小元件都费劲，粗糙度微米级别尺度，对热分析能有多大影响啊...加工表面粗糙度能有多大影响，我不知道...图 网络热图3.1 粗糙度图 理解粗糙度（讯飞星火AI生成）机械结构设计工程师，对粗糙度这概念十分熟悉，不赘述。可参考：GB/T 1031-2009《表面粗糙度参数及其数值》标准中参数定义。接下来展开写一下，从粗糙度到接触热阻产生过程。（1）Ra（Average Surface Roughness) 平均表面粗糙度大多数人将Ra称为中心线平均值或算术平均值，但它是粗糙度剖面和平均线之间的平均粗糙度。（2）Rt（total height of the roughness profile）粗糙度轮廓线总高度评价长度（ln）范围内最高峰高度Zp与最深谷深度Zv之差。（3）Rz（mean roughness depth）平均粗糙度采样长度范围内的5个采样长度lri的5个Rzi值的平均值。 3.2 粗糙度产生的接触热阻由于结构件表面不是绝对光滑，接触的固体材料由于存在粗糙度无法完全接触，峰峰相遇时热量“完美”无热阻进行热传递（热传导+热辐射），谷谷相遇时热量“糟糕”空气间隔（热对流+热辐射），这些峰谷分布是杂乱无章的。图片来源 《多工况下固-固界面间隙气膜对接触热阻影响的实验研究》注意：文中提到名义接触面积的2%，我看到过有写10%的。看到无序这两个字后，我的脑子直接懵掉了，如何把大量离散的，无序的，难以定量预测的数据进行处理呢？3.3 蒙特卡洛算法提到蒙特卡洛算法大部分人首先想到的就是投筛子？抛硬币？算圆的面积？蒙特卡洛算法理解接触热阻，将粗糙峰高度符合一定分布规律，当两平面接触时，统计上下表面粗糙峰谷的接触情况。两接触界面间给定一定间距，高度大于这一间距粗糙接触产生形变，发生接触的两个粗糙峰之间接触热阻采用单点模拟进行计算，并将所有单点接触热阻视为并联，从而得到整个界面的总接触热阻。这里推荐2篇蒙特卡洛算法相关文章，参考文献1和2。非常详细的写了关于蒙特卡洛算法，对接触热阻感兴趣可以看一下这篇。图片来源：我的文献阅读笔记3.4 热设计关于接触热阻的经验热设计时会喜欢在接合面之间填充材料，改善热传递性能，（润滑油、润滑脂、金属箔、软线丝网等）。接合面的表面粗糙度、接合面压力会影响热传递性能。图片来源：《电子设备冷却技术》4 小结关于热阻，所有能想到内容，都整理下来了。和做热设计朋友聊天时，如何得到“准确的”接触热阻，不提供Rjc，Rjb，Rja这些参数，该如何处理分析数据等，是困扰热设计的常见问题。春节期间找来几本书翻了翻，又补充了这两篇新的学习笔记，结果拖到上周末才写完。学习笔记整理，内容比较跳脱，希望对读者有所启发。接下来会趁热打铁，再写几篇热设计相关学习笔记。5 参考文献1、Modeling Thermal Contact Resistance：A Scale Analysis Approach;2、典型金属低温固体界面接触热阻数值模拟及关联式；3、Contact of Nominally Flat Surface；4、多工况下固-固界面间隙气膜对接触热阻影响的实验研究。 来源：认真的假装VS假装的认真