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电子元器件散热的基础理论

新闻来源: 发布日期:2016-02-20 09:00:15发布人:AG游戏小张

  电子元器件散热的基础理论

  传热现象在自然界普遍存在,有温差的地方就会有热量传递发生。具体到在工程技术领域中,掌握传热体系内的传热量和温度分布最具有实际意义。

  传热的基本方式有传导、辐射和对流三种,但实际换热过程往往是以一种形式为主的复合换热方式。下面,结合实践经验,对这几种理论分别加以阐述。

  一、热 传 导

  同一物体内部或互相接触的物体之间,当温度 不同但没有相对的宏观位移时的传热方式叫热传导 或导热。微观来看,气体导热基于分子或原子的彼 此碰撞;液体和非导电固体导热的机理是分子或原 子振动产生的弹性波作用;而金属导热则主要靠自 由电子的扩散传播能量。

  近年来,随着具有热超导体美誉的热管技术的发展,热管传热技术已经在各种工程实践中得到了广泛的应用。

  二、热 辐 射

  物体通过电磁波传播能量的过程叫辐射,热辐射则专指波长为0.1~100μm的热射线在空间传播能量的现象。任何物体均能不断地向外界发射辐射能同时也接受来自周围物体的辐射能。物体把热能以电磁波形式发射出去,接受这种电磁波的物体又将其转变为热能,两物体间的辐射换热为相互辐射热量的差额。热辐射不需要媒介质并伴随着能量形式的转化是辐射换热的特点。辐射能可以在真空中、少数透明固体和气体中传播,在大多数固、液体中无法传播,而在其表面被吸收或反射;热射线通过含有多原子 气体的气层时,可在透过气层厚 度时被逐步吸收。

  三、热 对 流

  由于流体各部分宏观位移引起的热量转移现象称为热对流。

  流体内部存在温度差从而存在密度差,在体积力(浮升力等)作用下所产生的热对流称自然对流。

  而借助于机械外力(泵或风机等)推动的热对流称强制对流。

  当流体内部温度分布不均匀时必然要发生导热,因此,热对流总是伴随着流 体的导热。

  流体流过温度不同的固体壁面时的传热过程称对流换热,对流换热在工程上(如换热器中)最具实际意义。边界层理论和实践证明,由于流体的粘性作用,在壁面处存在一个具有速度梯度的速度边界层,同时存在一个具有温度梯度的热边界层,即使是湍流,总还是存在一个紧贴壁面的层流底层。层流底层内垂直于壁面方向的传热只能靠导热,而层流底层以外则主要靠热对流,因此,对流换热是集导热和热对流于一体的综合现象。对于流速不高的高温多原子气体辐射换热占相当比重,不能随便忽略。

  影响热对流的因素

  一般地,工程上广为应用的换热和散热设备,其器壁一侧或两侧与不同温度的流体相接触,传热过程主要依靠对流换热,因此掌握对流换热的机理和影响因素,对于换热设备的设计、计算、强化和改进是十分重要的。对流换热受流体导热和热对流的综合作用,同时受到流体导热和对流规律的支配。

  流体运动产生的原因

  自然对流和强制对流由于起因不同因而具有不同的流动和换热规律。 强制对流速度决定于外力所产生的压差、流道阻力和流体性质等,因而换热强度与决定流动状态的雷诺(O.Reynolds)数Re和无因次物性准数普朗特(L.Prandtl)数Pr密切相关,如CPU Cooler、VGA Cooler等散热产品,都是利用风机的动力来加强产品与周围空气的换热效率的,自然对流速度除与物性有关外,与温差、空间大小、热面方位以及产生体积力的外力场有极大关系,因而换热强度与Pr及代表浮升力的葛拉晓夫(F.Grashof)数Gr有关,如Heatsink、Thermal Module等散热产品,都是利用产品自身与周围空气的自然对流来达到散热效果的。

  流动状态(或Re及流速)的影响

  对流传热一般分为层流和湍流两种,它们的传热机理有本质不同。层流时流体沿壁面分层流动,流线彼此平行,在壁面法向不可能产生热对流而完全靠分子扩散作用的导热;湍流时只有贴壁的层流底层仍属导热,缓冲层和湍流核心区存在着由湍流脉动作用引起的热对流。湍流脉动传递能量的能力比分子扩散强得多,它使管道中心部分速(温)度布均匀,因而层流底层温度梯度较大。因此,无论从贴壁导热增强或远离壁面处热对流加强的角度看,湍流换热的强度要比层流大得多。

  流体物性的影响

  影响对流放热的主要物性参数有导热系数、粘度、密度、比热、以及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。结合我们的散热产品,一般只用空气作为工作介质,所以在产品设计时,仅考虑空气的各项物理参数。

  1、 导热系数的影响 对流换热的热阻主要由边界层的导热热阻构成,导热系数k越大的流体传热能力越强。

  2、 粘度的影响 粘度μ大的流体以相同速度流过管道时较粘度小的Re低,因此δ或δt也较厚,换热能力较低。

  3、 比热和密度的影响 ρcp,代表单位体积的热容量,ρcp越大,流体的携热能力越强,取走或带给壁面的热量也越多,对流换热强度就越高。ρcp在数值上等于流体的比热和密度的乘积。

  4、 体积膨胀系数的影响 在一定的受热条件和几何条件下,β值越大的流体产生的密度差越大,自然对流的换热强度也越大。

  5、 综合物性参数的影响 在分析物性参数影响时,还必须注意它们的联系和制约,某些综合物性还具有特殊的意义。

  其它

  影响对流换热的其它因素还有一些,例如沿流道的热流密度分布或温度分布不同时,对换热会产生影响,某些解析方程都是针对恒热流密度或恒壁温得出的,因而有近似性。此外,流体有无相变发生的换热过程是有很大差别的,相变换热时,流体温度保持相应压力下的饱和温度不变,主要依靠潜热换热,汽液两相流动也不同于单相流动。

  四、复合换热

  工程上的换热过程往往是两种或三种传热方式的复合。

  热源热量通过热传导方式,传给热管蒸发端,通过热管工作介质的相变,液体变成气体,在热管内部,产生热对流作用,热量往热管的冷凝端转移,在冷凝端,热量再通过热传导方式,转移到散热片上,然后通过散热片的辐射和空气的自然对流,把热量最终散发到空气中。

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