针对电气工程师的热管理基础——第二篇

21 Nov 2018 • Less than one minute read

作者：Lawrence Der

在热管理入门基础知识——第一篇里，我们讨论了电域和热域之间的二元性。在这篇文章中，我们来聊聊三种不同的热传输机制，以及它们是如何与热阻相关联的，也是对之前的文章内容“封装/ PCB系统的热分析：挑战及对策”进行扩展。根据热力学第二定律，当介质中或介质之间存在温差时就会发生热传递现象，且该现象始终从高温处向低温处传递。在没有外部热源的情况下，介质之间的温差最终将达到热平衡，因此热传递机制其实就是不断努力使其介质和周围环境达到相同温度的机制。下图展示了本篇中即将讨论的三种热传输机制。

图. 三种热传输机制（点击查看大图）

热传导

当固体或静态流体介质中存在温度梯度或温差时，则发生热传导现象。该现象是热能在介质颗粒之间沿降温方向的转移。例如，当我们触摸一个热的物体时，我们感觉到的热量是通过热传导从物体传递到我们的手上的。导热速率由傅立叶热传导定律描述，如下所示：

其中

等式中的负号表示热量从高温到低温流动。导热率k是材料传热效率的量度，即良好的导热体具有高导热率，而绝缘体则具有低导热率。在热传导中，热流在介质体内通过介质体进行传递或通过固体介质之间的直接接触进行传递。

热传导的热阻由下式给出：

其中，传导热流量等于通过物体的功耗。

热对流

当固体表面与不同温度的流体接触时则产生热对流。在消费电子产品领域，流体通常指空气，而流动原因则通常是自然对流或强制对流。自然对流或自由对流的起因是流体中的温度差异，这会影响流体的密度和浮力。流体的致密成分（冷空气）较重则会下降，而较不致密的成分（热空气）较轻则会上升，从而导致流体移动。随着热物体周围的热空气上升，较重的冷空气便会取而代之并从物体上消除热量，从而实现热传递。另一方面，强制对流则是来自诸如风扇等外力的流体运动。通过对流进行的热传递由牛顿冷却定律描述：

其中

传热系数h是流体通过热对流传热效率的量度，由其速度、密度和黏度决定。风扇吹气的速度比自然对流的气流速度要快，因此具有更高的传热系数。

热对流的热阻由下式给出：

热辐射

热辐射是通过电磁波从物体传递热能的现象。可以在没有介质的情况下发生，例如在太空或真空环境中；并可由任何温度高于绝对零度的物体发出。一个典型的例子便是我们从太阳感受到的热量或温暖。热辐射传递的热量取决于物体的物理表面特性，例如颜色、方向和粗糙度。热辐射由Stefan-Boltzmann方程描述如下：

其中

几何形状因子F是物体发出辐射后被周围区域表面吸收的辐射百分比。如果对象是封闭的，则几何形状因子F = 1。

热辐射的热阻可通过其传热方程进行线性估计：

其中

下表总结了三种热传输机制的公式：

(点击查看大图）

上述热阻方程提供了一种用于分析系统热行为的电路方法。值得注意的是，由于我们可能无法获悉感兴趣元件的几何属性和材料属性，我们可能还需要一些额外的近似值才能获得实际的热阻值：比如计算热辐射所需知道的发射率和几何形状因子参数。此外，在电阻网络方法中，非线性尤其是辐射电阻的非线性是被忽略的，但该技术对于以热传导和热对流为主的大多数电子系统而言，仍然具有良好的精准度（注意：热辐射电阻和热对流电阻在具有介质的系统中会同时出现）。另外，网络方法不仅可以很好地洞察系统的热特性，更是电气工程师非常熟悉的领域。

今天的文章就到这里，在下一篇中我们将使用热电阻的概念来开发系统的热网络。最后一篇文章里我们将对冷却技术展开讨论，从而帮助电气工程师冷却电子系统。

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