熱設計基礎

2022-01-05 CAE仿真空間

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基礎概念熱量

熱量是指由於溫度差而轉移的能量,單位為焦耳。熱量總是從溫度高的介質傳遞到溫度低的介質。

熱流密度

熱流密度,也稱熱通量,是指單位時間內通過單位面積傳遞的熱量。一般用q表示,單位J/(m²·s)。

熱容量

熱容量是指一定質量的某種物質升高一定溫度所需的熱量,用C表示,單位為J/K,跟物質本身的比熱容有關。

熱阻

熱阻是指電子器件耗散的熱流在傳輸過程中(通過一定的介質)所遇到的阻力,是反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。用Rθ表示,單位是℃/W;其特性跟電阻類似,與介質材料的熱導率,體積,密度, 結構,表面積大小,顏色,幾何尺寸與冷卻條件等因素有關。

熱傳導定律

熱傳導定律也稱為傅立葉定律,表明單位時間內通過給定截面的熱量,正比例於垂直於該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

傅立葉方程描述如下

Q=K·A·δT/d

式中

Q:熱流量,單位W;

K:導熱係數,單位W/m·K;

A:接觸面積,單位m²

δ:熱量流入面與流出面之間的溫差,單位°C;

d:熱量傳遞的厚度,單位m;

熱設計的目標

在給定有限的空間和重量條件下,儘量可能保持元器件良好的散熱,使其在所處的工作環境條件下,不超過標準及規範所規定的最高溫度。

方法目標

任何情況下,器件與整體箱體內部環境以及外殼的溫升不要超出60℃。

散熱方式對流換熱

對流換熱是指流體與其相接觸的流體或固體表面,而且具有不同溫度時,所發生的熱量轉移過程。

對流換熱的計算一般採用牛頓所提出的公式 :

Q=α x A x (T1-T2)

其中

α 為對流換熱係數;

A為與流體接觸的壁面面積(m²);

T1為壁面溫度(K);

T2為流體平均溫度(K);

從上面的公式可以看出,在熱對流傳遞中,熱量傳遞的數量跟熱對流係數、有效接觸面積以及溫度差成正比,熱對流係數越大,有效接觸面積越大,溫差越高,所能帶走的熱量就越多。

根據流體產生流動的原因不同,分為自然對流與強迫對流。

輻射散熱

藉助於電磁波(紅外線)的形式將熱量傳遞出去,不需要任何的介質,傳播方向為直線,可以在真空中傳播,例如太陽的熱量通過熱輻射到達地球。

輻射換熱的考慮原則:

1)如果物體表面的溫度低於50℃,可忽略顏色對輻射換熱的影響;

2)對一強迫風冷,由於散熱表面的平均溫度較低,一般可忽略輻射換熱的貢獻;

3)如果物體表面的溫度低於50℃,可不考慮輻射換熱的影響;

4)好的熱輻射器,同樣是好的熱吸收器,所以應該避免太陽光的直射;

5)輻射換熱面積計算時,如表面積不規則,應採用投影面積;

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