我們都知道導熱材料的參數有導熱系數、熱阻等等,那就需要先了解一下導熱系數和熱阻之間的關系了。
導熱系數λ:
是指在穩(wěn)定傳熱條件下,設在物體內部垂直于導熱方向取兩個相距1米,面積為1平方米的平行面,而這兩個平面的溫度相差1度,則在1秒內從一個平面?zhèn)鲗У搅硪黄矫娴臒崃烤鸵?guī)定為該物質的熱導率。其單位為:瓦/(米·度), 導熱系數在0.12瓦/(米·度)以下的材料稱為絕熱材料。
導熱系數反應的是導熱材料導熱性,導熱材料的導熱系數越大,則其導熱性越好。
熱阻θ:
就是熱流量在通過物體時,在物體兩端形成的溫度差。即:θ=(T2-T1)/P——(1) 單位是:℃/W。 式中: T2是熱源溫度 ,T1是導熱系統(tǒng)端點的溫度 ,P是熱源的功率。(1)式是指在一維、穩(wěn)態(tài)、無內熱源的情況下的熱阻。
熱阻反應的是導熱材料對熱流傳導的阻礙能力,導熱材料的熱阻越大,則其對熱傳導的阻礙能力越強。
一般可以通過下面公式計算導熱系統(tǒng)端點的溫度: (T2-T1)=Pθ,熱源功率越小,熱阻越小,其熱流傳導能力越好,熱阻越大,熱流傳導能力越差。
熱阻還可以由下式表達: θ=L/(λS)——(2)式中:λ是導熱系數,L是材料厚度或長度,S是傳熱面積。物體對熱流傳導的阻礙能力,與傳導路徑長度成正比,與通過的截面積成反比,與材料的導熱系數成反比。
對導熱系數與熱阻的理解和應用場合
導熱系數反映的是物質在單位體積下的導熱能力。實際上它反映了物質導熱的固有能力。這種能力是由物質的原子或分子結構決定的。它是評價物質之間導熱能力的參數。
熱阻其實是導熱系數與物體的幾何形狀相結合而體現的該形狀物體的導熱能力。 對非均勻厚度的物體,均勻熱流密度的熱流通過物體后,兩端任意兩點的溫度差可能是不同的,也就是說,任意兩點間的熱阻可能是不同的。
談熱阻,必須要明確這一點:熱阻必須是指定的兩個點之間的熱阻,并且兩點之間沒有其它的熱源。它反映的是特定兩點間的導熱能力。就是說,給定了熱阻值,同時必須明確給出計量的起點和終點。偏離了這兩個位置點,這個熱阻值就沒有意義了。 純就每種物質而言,談熱阻是沒有太大意義的。因為幾何形狀不同,熱阻就不同了。只有確定了幾何形狀,才可以利用熱阻的概念做導熱能力的比較。
比如:a. 同一種材料,截面積相同、長度不同的柱體,它們的導熱系數是相同的,而它們兩對面的熱阻是絕不同的。
b. 同一種材料,設計成不同的形狀,則不同幾何結構之間,它們的兩個對面的熱阻可能不同。某些不同形狀的物體,熱源端某點到對面某點和到側面某點的熱阻可能相同。
公式(1)可以不考慮材料的幾何形狀與構成。也就是說,不管傳導熱的物體是什么形狀,也不管是由幾種材料組合而成,只要測得兩點間的溫度和施加的熱功率,就可以得到熱阻值。這對實際應用測量是很方便的。公式(2)則是根據材料特征來計算熱阻。利用公式(2),可以不用做實際的測量實驗,利用各材料的導熱系數和各組成材料的幾何形狀,就可以計算出熱阻。這對做模擬計算是非常好的理論依據。同時,公式(2)更容易讓人理解熱阻產生的本質。
導熱系數與熱阻的應用問題
采用熱阻的概念,只能是兩個系統(tǒng)保持不變的情況下來分析、比較系統(tǒng)的熱狀態(tài)。兩個系統(tǒng)若有改變,比較的結果可能完全相反。
比如,兩種不帶鋁基板的1W白光LED,見圖2和圖3,它們的結構尺寸見圖4和圖5,根據銅底座尺寸,按照公式(2)計算,圖2產品的中心軸向熱阻應是圖3產品的1.54倍。可在實際使用中,圖3的芯片溫度要低。怎么會這樣?因為,它的底板下部的面積大,便于熱流橫向擴展。上面的計算沒有考慮熱流橫向擴展!它們實際應用時,還必須要加散熱器,見圖5。通常散熱器是鋁合金材料,導熱系數遠小于純銅材料。圖2的LED接觸面小,熱量在往散熱器上傳導時,橫向的熱阻就大了;而圖3的產品由于銅底座面積大,熱量便于橫向散開傳導到散熱器上,使得熱流密度減小,將熱量更有效地傳導到散熱器的外部翅片上。所以,雖然圖3的結構縱向路徑長了,但由于有了好的橫向路徑,其實熱阻反倒小了。
再比如,兩個材料、工藝相同制成的散熱器,A表面積比B表面積大一倍,似乎A的熱阻比B小,A要好。可是,給B配上風扇,B的熱阻就會小于A。事實上是B和風扇形成了系統(tǒng),是這個系統(tǒng)比A好。并不是A比B的熱阻小而最終在使用上A比B系統(tǒng)好。A和B的比較就沒有意義,因為B不是單獨使用。
這個例子是有實際應用意義的。在設計產品的散熱器結構時,我們可能采用兩種方案:只用散熱器自然散熱和散熱器加風扇散熱。在采用風扇散熱時,可以選取一個較小的散熱器,其與風扇組合的散熱效果可能遠優(yōu)于只采用一個較大的散熱器的效果。雖然小散熱器的熱阻大于大散熱器的熱阻,但在兩個系統(tǒng)中,我們也不能單以兩個散熱器的熱阻大小來說好壞。
在系統(tǒng)構成后,不用熱阻的概念,通過溫度值就可以知道導熱效果的差異。這里“系統(tǒng)的構成后”是指相比較的系統(tǒng)的結構確定,熱源確定。可以測試相關點的溫度就知道結果。沒有必要已經知道了相關點的溫度后再去算出個熱阻來。通過相關點的溫度值已經很明確了哪個好,哪個不好。如果說不是測試,而是要通過模擬計算得到結果的話,在模擬計算中,也是通過導熱系數和結構參數,先算出相關點的溫度。計算得到了各點的溫度,導熱好壞也就明了了。也可以不需要再多算一步來算出熱阻值。
對于熱系統(tǒng)間的比較,僅僅知道各系統(tǒng)的熱阻值,也無法比較哪個好壞。
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