热设计讲座常用词汇和三种传热方式.docx
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热设计讲座常用词汇和三种传热方式
【热设计讲座】
(一)常用词汇和三种传热方式
热设计是设备开发中必不可少的环节。
本连载将为大家讲解热设计中的常见词汇,然后结合习题,学习三种传热方式及各种方式的作用,以及能够简化散热措施相关计算的“热欧姆定律”等。
关于“热”,最重要的定律是“能守恒定律”,因为热也是一种能量。
热能出现后不会消失,只能转移到其他物体或转移成其他形式。
也就是说,制造散热机构的目的,就是想办法让热尽快转移。
水会蒸发但是不会消失,与热类似。
下面就以水为例来解释热(图1)。
水从水龙头中流出相当于发热,积存的水量(L)相当于热量(J),水位(m)相当于温度(K或℃)。
图1:
用水打比方,思考热的移动
从宏观来看,热是“能量的集合”,可以认为与水相同。
热量的单位是“J(焦耳)”,温度(相当于水位)由单位时间产生的热能及其移动量决定,因此,热计算中主要使用的公式是热流量(J/s或W)。
根据能量守恒定律,能量是守恒的,但温度不守恒。
守恒意味着加法成立,例如,1J热量加上1J热量等于2J热量。
但另一方面,就像容器改变大小后水位会发生变化一样,温度也会随状态改变,加法自然不成立。
根据守恒守恒定律,热能只能转移,因此,要想实现散热,就必须要把热释放出去。
如果水龙头一直出水,容器(图1中的水箱A)的水位就会一直上升,最终灌满整个容器。
而散热措施的作用,就是防止水位上升。
因此,我们通过用管道将水箱A与其他容器(图1中的水箱B)连接的方法来放水。
管道越粗,释放到水箱B里的水就越多,A的水位也就越低。
这种对管道的控制就是热设计。
热设计中的常用词汇
电子产品中经常会用到“热阻”(K/W)这个词。
在图1的示例中,连接A和B的管道越细,水就越难流出,A和B之间的水位差也就越大。
相反,加粗管道后,AB之间的水位差将会消失。
这种阻碍水流动的作用就相当于热阻。
举例来说,当热流量为1W、温度上升1K时,热阻就是1K/W。
在热设计中,热阻扮演着非常重要的角色。
因为只要知道热阻,就能构思出散热措施,例如“如果要制造热阻为5K/W的散热片,尺寸大约会达到50mm×50mm×30mm”、“热阻为0.1K/W、因此必须要有风扇”等等。
发热量和散热量也是热设计的常用词汇,但二者都属于“热流量”(W),表示1秒的时间中产生或转移的热量。
“热容量”(J/K)也是一个重要参数。
热容量相当于图1中水箱A的底面积。
如果底面积大,即使加入大量的水,水位也不容易上升。
相反,如果底面积小,即使只加入少量的水,水位也会猛涨。
热也是如此,如果是热容量大的大铁块,就算发热量大,温度也很难升高。
相反,如果是热容量小的小塑料容器,哪怕发热量不大,温度也会迅速升高。
也就是说,热容量代表的是水位上涨1m需要注入多少L水,即使温度升高1K需要多少J热量。
假设热容量为1J/K,热流量为1W。
此时,1秒钟将有1J的热能流入;而每吸收1J的热量,温度会升高1K。
因此,如果忽略热量的流失,1秒的时间中温度会升高1K。
由此可知,只要知道了热容量,就能推算出温度的升降。
热容量等于“比热×重量”,计算非常简单(注1)。
比热是单位质量物质的热容量,单位为J/kg·K(或J/kg·℃)。
质量则是体积×密度。
比热和密度都是物理性质,可以在手册中查到,而且,体积是由尺寸决定的,因此,只要知道材料和尺寸,就能计算出热容量。
至于印刷电路板等复合材料,在计算出各种材料的热容量之后,相加即为总的热容量。
(注1)热阻的计算方式因热传导、热对流、热辐射等热移动的方式而异,非常复杂。
“热流密度”(W/m2)在图1中指的通过管道时热流量的密度,也叫热通量。
通常来说,通过的热量是发热量,发热量除以表面积即为热流密度。
因为发热量代表发热能力,表面积代表散热能力,所以,热流密度就相当于发热能力与散热能力之比。
因为物体内的热量只能通过该物体与空气接触的面、也就是表面释放,所以,在热量通过的部分中,表面积是最重要的条件。
热流密度与温度的上升量成正比,热流密度越大,温度上升越多。
反言之,通过管理热流密度,可以使温度控制在一定水平以下。
例如,在印刷电路板上安装部件时,热流密度等于部件的总发热量除以印刷电路板的总表面积。
如果采用自然空冷,一般来说,热流密度达到400W/m2以上就容易发生故障,因此要控制在300W/m2左右。
如上所述,通过计算热流密度,可以实现安全的设计。
因此,在分割电路板时,要尽量考虑到热流密度,做到均匀分割。
而且,不只是整块电路板,对于每一个部分也要遵循这样的思路。
假设整块电路板的热流量为5W,如果把2W和1W的部件集中在一起,这一部分的热流密度就会增加,导致散热效率降低。
通过像这样综合管理整体和单独的热流密度,散热措施的设计会变得轻松许多。
传热有三种基本方式
下面来看热的转移。
热转移的本质是物体内部的分子、原子、电子的动能向外传播。
传热有“热传导”、“热对流”和“热辐射”三种方式(图2)。
这三种方式有层次之分,并非平等关系。
大致可以区分为“物质传热”和“电磁波传热”两种。
热传导和热对流属于前者,是利用物质的振动传递热量的现象,热辐射属于后者。
图2:
微观的热移动
传热方式有热传导、热对流、热辐射三种。
热传导与热对流都是利用物质传热,热辐射则是通过电磁波传热。
首先,热传导依靠的是晶格振动的传播,以及金属中自由电子的移动。
金属的电导率与热导率成正比。
这是因为二者的原理相同,自由电子的移动越容易,金属就越容易导电、导热。
因此,自由电子越容易移动(电阻小)的金属,热导率越高。
热对流是利用流体的运动传热。
每一个分子的运动其实都是热运动,热运动会产生热能,在不受拘束的流体中,热能是以整体的形式流动。
第三个方式热辐射是经由电磁波的移动,无需物质。
太阳热穿越宇宙空间抵达地球的现象就属于这种方式。
携带电荷的粒子振动会产生电磁场,释放出电磁波。
只要温度不是绝对零度,任何物体都在振动,物质必然释放电磁波。
某种物质释放的电磁波在抵达温度较低的物体后,会激发振动,转化成热能。
因此可以说,热辐射是在与可见的所有空间进行热交换。
热传导与热对流不是独立的现象。
比如,把空气封闭在狭小的空间内时,空气将停止运动(热传导),但开放空间后,空气将恢复运动(热对流)。
这样一来,根据缝隙大小的不同,空气时而发生热传导,时而发生热对流。
但热辐射是与二者完全不同的现象,热传导不可能转化成热辐射。
如果按照热传导、热对流、热辐射三种方式,分别推导热移动的公式,公式将大相径庭。
对于热设计而言,这样的情况很让人头疼。
整合不同的公式费时费力,如果可能的话,公式最好相同。
这就到了“热欧姆定律”登场的时候了,具体内容将在下次介绍。
】热设计是设备开发中必不可少的环节。
本连载将为大家讲解热设计中的常见词汇,然后结合案例,学习三种传热方式及各种方式的作用,以及能够简化散热措施相关计算的“热欧姆定律”等。
热欧姆定律
上一篇中介绍了热传导、热对流、热辐射三种传热方式,如果对其分别推导热移动公式,公式将大相径庭。
对于热设计而言,这样的情况很让人头疼。
整合不同的公式费时费力,如果可能的话,公式最好相同。
这就到了“热欧姆定律”登场的时候了。
无论是热传导、热对流,还是热辐射,传热基本与温差成正比。
温差越大,传递的热量越多。
不只是热能,这样的现象还有许多。
例如,不管是电、水,还是空气,只要施加压力,就会产生一定的流量。
表1进行了简单的汇总。
温度、电压和压力都是“势能”。
能量密度一旦出现落差,就会产生流动。
但施加少量的压力并不会带来无限的流动。
在这两个数值之间,存在着一个常数关系。
电压除以电流会得到固定的数值,也就是电阻。
热能同样如此,温度除以热流量即为热阻。
因此,只要是能用势能、流量、阻值这三个数值来表现的,都可以这样处理。
热欧姆定律有两个表达式(注3)。
(注3)温度的常用单位是℃,但国际单位制推荐使用K(开尔文)。
热流量(W)=传热能力(W/K)×温差(K(℃))
其中,传热能力就是传热系数。
下面的公式更接近电学定律。
温差(K(℃))=阻热能力(K/W)×热流量(W)
温差(K(℃))=阻热能力(K/W)×热流量(W)
阻热能力就是热阻。
借助热欧姆定律,电学定律也能用在热力学中。
最重要的是串联法则和并联法则也能用在热阻上。
因为通过这些定律,可以完成复杂的散热路径的计算。
电学的串联法则是“电阻串联时,各电阻相加等于总电阻”,该法则也适用于热阻(图3上)。
当发热体位于上方,三种物质在下方成层状排列时,热能将从上向下,逐层通过不同的物质。
因此,分别求出第一层、第二层、第三层的热阻并且相加,就是总热阻。
电阻的并联法则也能用于热阻(图3下)。
热阻的倒数相加等于总热阻的倒数。
热阻的倒数就是传热系数,因此传热系数一一相加即为总传热系数。
图3:
利用与电的相似性
利用电与热的相似性,可以轻松实现热阻的串联合成、并联合成。
在冷却设备时,三种传热方式的作用
在热设计中,热传导、热对流、热辐射各自发挥着怎样的作用?
就电子产品而言,热传导负责使温度均匀,热对流负责降低平均温度,热辐射则起到辅助热对流的作用(图4)。
例如,当电路板上安装的部件的温度升高时,首先,为了提高热传导性能,可以在电路板上留置铜箔,或是使用铝基板替代树脂基板。
因为热导率低不易传热,所以电路板边缘处温度较低低(图4虚线)。
如果提高热导率,热量就能传到较远处,则电路板边缘处的温度也会升高。
相应的,热源的温度则会降低(图4实线)。
图4:
热传导、热对流、热辐射的作用
热传导、热对流、热辐射在电器冷却中发挥的作用。
前面已经讲过,在固体中,温差的消失可以说依靠的是热传导的作用。
反言之,在温度分布均匀的情况下,热传导就无用武之地。
例如,在表面温度较高时,如果有温度低的地方,则可以通过连接高温部分和低温部分来消除温差。
这就是基于热传导的散热措施。
但是,如果所有位置的温度相同,无法通过热传导降温的话,就要考虑基于热对流和热辐射的散热措施。
热对流是热量从固体转移到空气中的途径。
因此,增加热对流的传热量后,整体的温度将会降低。
扩大表面积就是增加热对流的一种措施。
但这种方法等于扩大尺寸,往往不能被接受。
虽然也可以安装散热片或是设置鳍片,但出于设计的原因,这种方式也常常不被接受。
除此之外,还有利用风扇使空气流动等提高传热率的方式。
如上所述,因为参数只有表面积和传热率,所以通过热对流散热比较困难。
热辐射除了像热对流一样增加表面积之外,还可以通过采用易于辐射热量的表面来提高辐射率。
但就整体而言,辐射所占的比例很小。
以一般的自然空冷式电子设备为例,热对流在散热中所起的作用占到8成,热辐射只占2成左右。
因此,在到最后的最后,无论如何还要再降低2~3℃的时候,热辐射是不错的选择。
但热辐射在高温时的效果比较好。
当达到80~90℃的高温时,热辐射在散热中的作用甚至能占到4成左右,温度越高,热辐射的效果越明显。
热传导的热阻与传热系数
如上所述,消除固体的温差主要是靠热传导。
因此,希望大家把热传导的公式铭记在心。
图5:
热传导的热阻与传热系数
一维热传导需要掌握的事项。
在图5中,箱子左侧面T1与右侧面T2存在温差,热沿着箱子移动。
假设我们要求出此时的热流量W,或是T1与T2的温差。
求温度与热流量的关系使用下面的公式。
热流量=(截面积×热导率/长度)×(T1-T2)
截面积×热导率/长度就是传热系数。
如果截面积扩大到2倍,在温差相同的情况下,转移的热量也将增至2倍。
也就是说,只要扩大传热面,释放的热量就会成正比增加。
另一方面,按照上面的公式,如果把T1到T2的长度缩短一半,而两边的温度保持不变,则热流量将增至2倍,因此,转移的热量就会增至2倍。
热导率是物理性质,可以从热力学相关技术手册上查到。
也可以用实验的方法,确定热流量,通过检测温差求出。
因为传热系数与热阻成倒数关系,所以只要把分母与分子对调,就能求出热阻。
热阻=长度/(截面积×热导率)
【练习】发热体的大小与发热量/温度
让我们利用第一篇和第二篇中介绍的知识,来试着思考一下物体的散热能力。
首先,假设有一个尺寸为50mm×50mm×50mm(体积125mL)、内嵌发热体的立方体。
发热量为12.5W时,立方体升温60℃。
接着,再用相同材料制作一个更大的立方体,尺寸为100mm×100mm×100mm。
发热量为100W时,该立方块的状态符合下列哪一项?
(1)升温约为60℃
(2)升温远超60℃
(3)升温低于60℃
下面就来详细分析一下。
发热体的散热能力基本取决于表面积。
体积为125mL的立方体有6个50mm×50mm的面。
因为热量只能从表面释放,所以,表示热量以何种程度从表面释放出来的表面热密度(热流密度,W/m2),就等于发热量12.5W除以表面积。
边长加倍后,立方体的体积将是过去的8倍。
因为此时的发热量也扩大到了8倍,单位体积的发热密度相同。
但热量只能从表面释放。
虽然大立方体的体积相当于8个小立方体,但面积只是过去的4倍。
体积增至8倍,表面积却只增加到4倍,表面的热密度也就达到了过去的2倍。
因此,答案是
(2)。
热密度与升温基本成正比,大致推算,升温即使没有倍增到120℃,估计也超过了100℃。
将这个结果带入到电池的话,小单元独立设置是最佳选择。
虽然也可以多个排列,但是,如果让许多个小单元组成1个整体,表面积就会减少,必须要通过在单元之间设置通风缝隙等方式进行散热。
也就是说,从散热措施的角度出发,组合成整体的做法行不通。
多层材料的散热措施
(1)
再来看看尺寸为20mm×20mm,由A、B、C三层组成的材料(图6)。
假设上层的发热为10W,底层使用水冷和散热片冷却,温度保持在20℃。
三层的厚度各不相同,分别是A层2mm,B层1mm,C层3mm。
各层使用的材料也不同,热导率分别为A层15W/(m·K),B层0.3W/(m·K),C层40W/(m·K)。
图6:
多层材料的散热措施
(1)
采用层状结构的材料的上层(20mm×20mm)发热为10W。
底层维持20℃恒温。
思考这种状态下的散热措施。
如果保持这个状态,上层的温度将达到100℃左右。
在下列三种方案中,哪一种对降低温度最为有效?
(1)将最厚的C层的厚度减半
(2)使热导率最差的B层的热导率加倍
(3)将A层厚度减半、热导率加倍
这个问题可以通过定量计算求解。
计算使用的是传导热阻、热阻串联法则、热欧姆定律。
首先来看A、B、C各层的热阻。
热阻可以通过长度、截面积和热导率求出。
在这个例子中,厚度就相当于长度。
层状排列也就是串联排列,三个热阻相加即为总热阻。
只要知道热阻,根据热欧姆定律,热阻(阻热能力)乘以流经的热流量10W,即为温差。
下面就让我们来实际动手算一算。
先求热阻。
用厚度除以导热率和截面积。
A层的热阻:
0.002/(15×0.02×0.02)=0.3333K/W
B层的热阻:
0.001/(0.3×0.02×0.02)=8.333K/W
C层的热阻:
0.003/(40×0.02×0.02)=0.1875K/W
从结果可以看出,B层的热阻明显大于其他两层。
电子产品也存在这样的现象,绝缘层的热阻往往最大。
接下来,使用串联法则,把A层、B层、C层的热阻相加。
总热阻:
0.3333+8.333+0.1875=8.854K/W
其中,虽然只有B层的热阻达到了8.333,但在串联状态下,热阻最大的部分将提升整体的热阻值。
下面要使用热欧姆定律。
因为8.854K/W的总热阻流经的热流量为10W,所以温差为:
8.854×10=88.5K
由于底层的温度恒定在20℃,因此温度为:
88.5+20=108.5℃
温度相当之高。
再回头看看前面给出的三个方案。
(1)C层厚度减半后,热阻将达到0.09K/W,温度降低0.9K
(2)B层导热率加倍后,热阻为4.2K/W,温度降低42K
(3)A层厚度减半、导热率加倍后,热阻为0.083K/W,温度降低2.5K
由此可知,方案
(2)最有效。
这是一个非常重要的提示。
如果散热路径串联,热阻最大的地方将阻碍散热,如果不对这里采取措施就起不到什么作用。
在这个例子中,即使对A层和C层采取措施,也基本没有效果。
而解决的方法只有三个:
增加截面积、缩小厚度、提高热导率。
但实际操作却并非易事。
要想提高热导率,一般来说材料成本也会提高。
缩小厚度会导致绝缘耐压和耐久性降低。
而增加截面积则存在构造上的困难。
多层材料的散热措施
(2)
下面,笔者再用相同的例子,介绍另一个方案——在中央穿孔、插入热导体的上下旁路法(图7)。
图7:
多层材料的散热措施
(2)
在图6的多层板中央穿孔,填充高导热率的材料D(直径5mm)。
思考这种状态下的散热措施。
这样一来,热阻除了串联,又增加了并联。
因此需要进行串并联计算。
旁路部分D的导热率相当高,达到了180W/(m·K),希望进一步降低温度的话,下列三个方案哪个最有效?
(1)B层导热率加倍
(2)B层厚度减至1/3
(3)D部分导热率加倍
首先来计算D部分的热阻。
D部分的截面积:
0.0052×π/4=1.963×10-5m2
D部分的长度:
0.006m
D部分的热导率:
180W/(m·K)
D部分的热阻:
0.006/(180×1.963×10-5)=1.698K/W
除了之前计算的A、B、C层串联构成8.854K/W的热阻以外,热量还会传递到D部分。
串联时,热量会停留在不易移动的地方,而并联时,热量会向容易移动的地方转移。
接下来计算串并联的总热阻,A、B、C层的串联热阻与D部分热阻并联。
A、B、C层的串联热阻不直接使用根据图6计算的数值(8.854K/W),而是要根据设置D部分后各层面积的减少,重新计算。
考虑到A、B、C各层面积的减少,A、B、C层的热阻如下:
8.854×(0.02×0.02)/(0.02×0.02-1.963×10-5)=9.311K/W
接下来,把这个数值与D部分的热阻并联。
1/9.311+1/1.698=0.6963W/K
1/0.6963=1.436K/W
然后,再根据热欧姆定律,计算上下的温差。
与基准温度面(20℃)相比,发热面的升温为:
1.436×10=14.36K
因此,发热面的温度为:
14.36+20=34.4℃
把数值代入前面的方案。
(1)B层导热率加倍后,温度降低1.7K
(2)B层厚度减至1/3后,温度降低3K
(3)D部分导热率加倍后,温度降低6.6K
由此可知,在这种情况下,降低温度要靠热阻小的部分。
正确答案是(3)。
下一次,笔者将带领大家深入研究基于热对流的热移动。
热设计是电子设备开发中必不可少的环节。
本连载从热设计的基础——传热着手,介绍基本的热设计方法。
前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。
而本篇开始介绍的对流,则具有降低平均温度的效果。
加热器释放出的热能首先会通过热传导发散到空气中。
具体来说,就是加热器表面的空气附着于固体表面,在空气的分子之间通过振动传播热量。
远离壁面的分子渐渐获得自由运动的能力,使得温热的空气团发生移动。
这种现象中,热传导再加上具有热量的物质的移动,就被称作“对流”(图1)。
也就是说,对流是一种复合现象(注1)。
图1:
对流的原理
对流的原理是,首先通过热传导从发热体获得热能(图中
(1)),然后,携带热能的流体发生移动(图中
(2))。
对流是热传导加上物质移动的复合热移动现象。
(注1)艾萨克·牛顿在推导冷却定律时提出了对流的概念。
在思考对流这种传热方式时,会用到“对流传热系数”。
对流传热系数表示对流传热的难易程度,虽然听上去与“导热系数”很像,但二者却是完全不同的概念。
物质的导热系数可以通过文献等资料查到,而传热系数是状态值,其数值因物质的状态而异,并不唯一。
能够得到的,只有推导传热系数的公式,需要自己根据公式计算。
了解热边界层散热的能力
对流传热系数源于“热边界层”理论。
例如,把发热板放置在空气中,热能将通过热传导传播到空气中,越靠近发热板,空气的温度越高,越远温度越低(图2)。
空气受热后体积膨胀,密度降低,浮力增大。
因此,空气会自下向上流动(注2)。
因为下方不断有冷空气补充,所以下方的热空气会越来越少,热空气逐渐在上方囤积,使空气层不断变厚。
而这种热空气层,就是热边界层(也叫温度边界层)。
图2:
发热体周围出现的热边界层
存在温差的固体与流体的边界存在“热边界层”。
要想提高散热效果,可以缩小热边界层的厚度,或是扰乱热边界层。
(注2)无重力状态下没有浮力,空气不会发生流动,只会形成温差。
热边界层虽然肉眼看不到,但利用热电偶检测温度,就能确定热边界层的存在。
热边界层的内侧是温度变化的场所,而在其外侧,温度将趋于固定。
在进行热流体解析模拟时,这一点要重点关注。
用何种程度的网眼来表现边界层,决定着解析的精度。
在热边界层的外侧,网眼即使很小,对于精度也没有太大影响。
这是因为热边界层外侧流体的流速和温度的变化很小。
如果热边界层较厚,热空气进入冷环境的距离就会变长。
也就是说,热边界层越厚,热能就越不容易释放。
因此,对流传热系数
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