本文要点
散热器中的辐射传热。 |
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传热的电路类比。 |
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推导辐射热阻。 |
散热器是电子产品中常用的热管理系统,利用传导、对流、辐射或三者的组合等传热方式将热能从电路传递到环境中。散热器系统的传热可以用电路类比来描述。
电路类比利用热阻参数来区分散热器的传导、对流和辐射机制。在散热器传热问题中,传导热阻与对流热阻不同,这两者又与辐射热阻不同。鉴于辐射是散热器中一种重要的传热方式,我们将以辐射热阻为重点来探讨传热的电路类比。
散热器中的辐射传热
热能以电磁波的形式从高温的物体传递到环境中,该过程被称为辐射传热,或热辐射传热。这是电子产品冷却机制中的一种常见传热方式,特别是在散热器中。散热器中的热辐射传热效率在真空中最高。热辐射不需要传热介质,并以光速发生,在任何热管理系统中都是一个重要机制。
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辐射是散热器中一种重要的传热方式
无论是传导、对流还是辐射,散热器的传热问题都可以通过电路类比来进行分析。
传热的电路类比
传热的电路类比基于欧姆定律。在这种传热问题的类比中,系统中的温差 (△T) 类似于等效电路中的电位差 (△V)。由于电位差,电流 (i) 从高电位流向低电位。同样,热通量 (q) 从较高温度流向较低温度。
我们知道,根据欧姆定律,电位差可以表示为:
△V=iRe
其中 Re 是以欧姆为单位的电阻。
在电路类比中也有同样的概念。传热问题可以写成:
△T=qRt
其中 Rt 是传热模式的热阻。
热阻
系统的热阻是指热流在系统边界上遇到的阻力。对于一个给定的温度差,热阻是影响传热速率的量。热阻取决于系统的几何形状和热属性,如介质的导热系数。热阻随传导、对流和辐射等热传递过程而变化。
热阻和电路类比的概念最适合用于解决稳态传热问题。传热问题的等效电路类比中涉及的热阻可以是热阻的串联、并联的或串并联组合,具体取决于系统的几何形状和系统中主导的传热模式。在计算热管理系统边界上的热流或温度时,了解热阻值将有很大帮助。
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_02.png)
图为使用 Cadence Celsius Thermal Solver 获得的稳态温度场图像,图像中模拟了电子系统周围对流和强制对流的影响。
接下来,我们将推导散热器的辐射热阻,其中热能被辐射到环境中。
推导辐射热阻
以一个热量从散热器表面耗散到环境中进行热交换的散热器为例。温度为 Ts 的散热器表面和温度为 T∞ 的环境之间的热辐射可以用以下公式表示:
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_03.png)
请注意,Q 是以瓦特为单位的热能,ε 是散热器表面的辐射率,是斯忒藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann) 常数,A 是传热面积,单位是平方米。
重新排列公式,得到 △T:
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_04.png)
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_05.png)
热通量 (q) 和热能 (Q) 之间的关系可以通过以下公式表示:
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_06.png)
辐射热阻可以写成:
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_07.png)
注意,hrad 是辐射传热系数:
![](img/technote/technote_sigrity/tech_132/img_08.png)
辐射热阻与散热器表面的辐射率有关。需要仔细选择散热片尺寸、散热器表面纹理和表面颜色,以增加辐射率,降低辐射热阻。由于辐射传热系数和散热器面积与辐射热阻成反比,应采取措施增加前两者的量以减少热阻,从而增加传热。
散热器的传热是通过传导、对流、辐射或三者的组合进行的。在大多数散热器中,对流和辐射并存,两者的结合有助于增强散热器的整体热交换。在使用电路类比分析散热器中的对流和辐射传热时,必须考虑辐射热阻和对流热阻的并联组合。
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