一、熱阻基本概念與核心公式
熱阻是反映材料或系統(tǒng)對熱流傳導(dǎo)阻礙程度的物理量,衡量單位熱流密度下的溫度差。其計(jì)算公式為:
R = ΔT / P
其中,R 表示熱阻,單位為℃/W 或 K/W;ΔT 為溫度差,單位是℃;P 代表功率,單位是瓦特(W)。此公式揭示了在特定熱源功率下,物體兩端溫度差與熱阻的正比關(guān)系,是評估物體導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵指標(biāo),熱阻越大,導(dǎo)熱性能越差,反之則導(dǎo)熱性能越佳。
在電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域,熱阻概念至關(guān)重要。例如,芯片的結(jié)到殼熱阻(Rjc)、殼到散熱器熱阻(Rcs)、散熱器自身熱阻(Rsa)等,均是決定電子設(shè)備散熱效能的核心要素。
二、并聯(lián)熱阻計(jì)算
對于并聯(lián)熱阻的情況,總熱阻 Rt 的計(jì)算公式為:
1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
其中,R1、R2、...、Rn 分別為各個(gè)并聯(lián)元件的熱阻。


三、熱阻計(jì)算公式分類
(一)全熱阻公式
全熱阻公式適用于計(jì)算方形封閉空間中各組件的組合熱阻,如墻壁、窗戶、地板、天花板和門等。計(jì)算公式為:
Rtotal = (R1×A1 + R2×A2 + … + Rn×An)/(A1 + A2 + … + An)
其中,Rtotal 表示總熱阻;Ri 為組件熱阻;Ai 為組件面積。
(二)表面熱阻公式
表面熱阻公式用于計(jì)算材料表面間的熱阻。其計(jì)算公式為:
Rsurface = 1/(h1×A1 + h2×A2 + … + hn×An)
其中,Rsurface 表示表面熱阻;h 為材料傳熱系數(shù);Ai 為表面積。
(三)單位面熱阻公式
單位面熱阻公式用于計(jì)算單位面積材料表面間的熱阻。其計(jì)算公式為:
Rlu = 1/(h1×A1) + 1/(h2×A2) + … + 1/(hn×An)
其中,Rlu 表示單位面熱阻;h 為材料傳熱系數(shù);Ai 為表面積。
四、熱阻分類與應(yīng)用場景
(一)導(dǎo)熱熱阻
當(dāng)熱量通過物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)方式傳遞時(shí),所遇到的阻力稱為導(dǎo)熱熱阻。對于截面積不變的平板,導(dǎo)熱熱阻計(jì)算公式為:
R = L/(k×A)
其中,L 為平板厚度,A 為平板垂直于熱流方向的截面積,k 為平板材料的熱導(dǎo)率。
(二)對流換熱熱阻
在對流換熱過程中,固體壁面與流體之間的熱阻稱為對流換熱熱阻。其計(jì)算公式為:
R = 1/(h×A)
其中,h 為對流換熱系數(shù),A 為換熱面積。
(三)輻射熱阻
兩個(gè)溫度不同的物體相互輻射換熱時(shí)的熱阻稱為輻射熱阻。若兩個(gè)物體均為黑體,且忽略兩物體間氣體對熱量的吸收,則輻射熱阻計(jì)算公式為:
R = 1/(A1×F1-2) 或 R = 1/(A2×F2-1)
其中,A1 和 A2 為兩個(gè)物體相互輻射的表面積,F(xiàn)1-2 和 F2-1 為輻射角系數(shù)。
(四)接觸熱阻
熱量流過兩個(gè)相接觸的固體交界面時(shí),界面本身對熱流呈現(xiàn)的明顯熱阻稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是,即使看似接觸良好的兩物體,實(shí)際接觸面積也僅為交界面的一部分,其余部分為縫隙。熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞,其傳熱能力遠(yuǎn)低于一般固體材料。接觸熱阻會(huì)導(dǎo)致熱流流過交界面時(shí),沿?zé)崃鞣较驕囟?T 突然下降,這是工程應(yīng)用中需要盡量避免的現(xiàn)象。
五、其他熱阻相關(guān)概念
(一)熱阻率
熱阻率是指單位傳熱截面面積上的熱阻,單位包含 m²。而沒有 m² 單位的熱阻則是整個(gè)物體的熱阻,例如一片墻的熱阻。
(二)空間熱阻
空間熱阻,即輻射空間熱阻,簡稱為空間熱阻,計(jì)算公式為 1/(X×i,2×A)。
(三)表面熱阻
表面熱阻是指 1-/A1 之間的輻射表面熱阻。
(四)傳熱系數(shù)
傳熱系數(shù)用于表征墻體(含所有構(gòu)造層次)在穩(wěn)定傳熱條件下,當(dāng)其兩側(cè)空氣溫差為 1K(1℃)時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過單位平方米墻體面積傳遞的熱量,單位為 W/(M²·K)。
六、傳熱系數(shù)計(jì)算方法
(一)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) K 值
圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) K 值的計(jì)算公式為:
K = 1/(1/h1 + δ/λ + 1/h2) W/(㎡·°C)
(二)圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻
單層結(jié)構(gòu)熱阻:
R = δ/λ (m·K/W)
多層結(jié)構(gòu)熱阻:
R = R1 + R2 + ... + Rn = δ1/λ1 + δ2/λ2 + ... + δn/λn
(三)圍護(hù)結(jié)構(gòu)劈面對流換熱熱阻
內(nèi)表面換熱阻:
Ri = 1/h1
外表面換熱阻:
Re = 1/h2
(四)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻
R0 = Ri + R + Re
(五)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)
K = 1/R0 (W/(m·K))
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