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热设计|热传递形式及热阻

BB学长

1年前浏览577

导读：介绍热量传递的三种基本形式及热阻的概念。

热量传递的基本形式

热量的传递有导热、热对流及辐射换热三种方式。在终端设备散热过程中，这三种方式都有发生。

导热

概念：指物体内各部分间或不同物体之间直接接触时因温差而发生的热量传递现象，也称热传导。如: 固体与固体之间及固体内部的热量传递; 电厂过热器管壁的传热等。

导热的特点：

（1）必须有温差；

（2）物体直接接触；

（3）不发生宏观的相对位移；

（4）依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；

（5）导热是物质的属性，可在固体内（间），液体内（间），气体内（间）发生导热。

导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：

其中: A为与热量传递方向垂直的面积，单位为

；

分别为高温与低温面的温度；

为材料的导热系数，单位为

,表示了该材料导热能力的大小。

一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

对流换热

热对流：流体中温度不同的各部分间发生宏观的相对位移时所引起的热量传递现象。是三种基本传热方式之一。

对流换热: 是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。对流换热与热对流不同，对流换热是热对流导热综合作用的结果; 不是基本传热方式。这是通信设备散热中中应用最广的一种换热方式。

对流换热特点：

（1）导热与热对流同时存在的复杂热传递过程

（2）必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动; 也必须有温差

（3）由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。

对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。

自然对流散热分为大空间自然对流（例如终端外壳和外界空气间的换热）和有限空间自然对流（例如终端内的单板和终端内的空气）。值得注意的是，当终端外壳与单板的距离小于一定值时，就无法形成自然对流，例如手机的单板与外壳之间就只是以空气为介质的热传导。

对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：

其中: A为与热量传递方向垂直的面积，单位为

;

分别为固体壁面与流体的；

为对流换热系数，自然对流时换热系数在1-10

量级，实际应用时一般不会超过30

。

热辐射

热辐射：辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。

热辐射特点：

（1）任何物体，只要温度高于零K，就会不停地向周围空间发出热辐射;

（2）可以在真空中传播;

（3）伴随能量形式的转变;

（4）具有强烈的方向性;

（5）辐射能与温度和波长均有关;

（6）发射辐射取决于温度的4次方。

物体的辐射力计算公式为：

公式中T指的是物体的绝对温度值=摄氏温度值十273.15;

是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。磨光的铝表面的黑度为0.04，氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度达到0.8，雪的黑度为0.8。

由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相同温差条件下会散去更多的热量。

对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散热器表面黑色处理也助长了这种认识。

实际上物体温度低于1800"C时，有意义的热辐射波长位于0.38-100

之间，且大部分能量位于红外波段0.76-20

范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。颜色只与可见光吸收相关，与红外辐射无关，夏天人们穿浅色的衣服降低太阳光中的可见光辐射吸收。因此终端内部可以随意涂敷各种颜色的漆。

热阻概念

对导热和对流换热的公式进行变换:

Fourier导热公式：

Newton对流换热公式：

热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance），单位为

, 其物理意义就是传递 1W 的热量需要多少度温差。

在热设计中将热阻标记为R或

。

是导热热阻，

是对流换热热阻。

器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻; Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。

这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。

两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如图所示：

在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层，与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。

降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。

在涉及热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热脂、导热膜、导热垫等。

来源：BB学长

电子芯片通信材料热设计

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首次发布时间：2023-06-23