溫度的變化會(huì)對(duì)電域和熱域產(chǎn)生什么影響呢？

在熱管理入門基礎(chǔ)知識(shí)——第一篇里，小編與大家討論了電域和熱域之間的二元性以幫助大家解暑降溫。隨著秋季的開始，暑去涼來(lái)，溫度的變化又會(huì)對(duì)電域和熱域產(chǎn)生什么影響呢？

小編丟掉手中的烤肉，現(xiàn)在就跟大家講講三種不同的熱傳輸機(jī)制，以及它們是如何與熱阻相關(guān)聯(lián)的，也是對(duì)之前的文章內(nèi)容“封裝/ PCB系統(tǒng)的熱分析：挑戰(zhàn)及對(duì)策”進(jìn)行擴(kuò)展。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)介質(zhì)中或介質(zhì)之間存在溫差時(shí)就會(huì)發(fā)生熱傳遞現(xiàn)象，且該現(xiàn)象始終從高溫處向低溫處傳遞。在沒有外部熱源的情況下，介質(zhì)之間的溫差最終將達(dá)到熱平衡，因此熱傳遞機(jī)制其實(shí)就是不斷努力使其介質(zhì)和周圍環(huán)境達(dá)到相同溫度的機(jī)制。下圖展示了本篇中即將討論的三種熱傳輸機(jī)制。

圖. 三種熱傳輸機(jī)制

熱傳導(dǎo)

當(dāng)固體或靜態(tài)流體介質(zhì)中存在溫度梯度或溫差時(shí)，則發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。該現(xiàn)象是熱能在介質(zhì)顆粒之間沿降溫方向的轉(zhuǎn)移。例如，當(dāng)我們觸摸一個(gè)熱的物體時(shí)，我們感覺到的熱量是通過熱傳導(dǎo)從物體傳遞到我們的手上的。導(dǎo)熱速率由傅立葉熱傳導(dǎo)定律描述，如下所示：

其中

等式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫到低溫流動(dòng)。導(dǎo)熱率k是材料傳熱效率的量度，即良好的導(dǎo)熱體具有高導(dǎo)熱率，而絕緣體則具有低導(dǎo)熱率。在熱傳導(dǎo)中，熱流在介質(zhì)體內(nèi)通過介質(zhì)體進(jìn)行傳遞或通過固體介質(zhì)之間的直接接觸進(jìn)行傳遞。

熱傳導(dǎo)的熱阻由下式給出：

其中，傳導(dǎo)熱流量等于通過物體的功耗

熱對(duì)流

當(dāng)固體表面與不同溫度的流體接觸時(shí)則產(chǎn)生熱對(duì)流。在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，流體通常指空氣，而流動(dòng)原因則通常是自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流或自由對(duì)流的起因是流體中的溫度差異，這會(huì)影響流體的密度和浮力。流體的致密成分（冷空氣）較重則會(huì)下降，而較不致密的成分（熱空氣）較輕則會(huì)上升，從而導(dǎo)致流體移動(dòng)。隨著熱物體周圍的熱空氣上升，較重的冷空氣便會(huì)取而代之并從物體上消除熱量，從而實(shí)現(xiàn)熱傳遞。另一方面，強(qiáng)制對(duì)流則是來(lái)自諸如風(fēng)扇等外力的流體運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)流進(jìn)行的熱傳遞由牛頓冷卻定律描述：

其中

傳熱系數(shù)h是流體通過熱對(duì)流傳熱效率的量度，由其速度、密度和黏度決定。風(fēng)扇吹氣的速度比自然對(duì)流的氣流速度要快，因此具有更高的傳熱系數(shù)。

熱對(duì)流的熱阻由下式給出：

熱輻射

熱輻射是通過電磁波從物體傳遞熱能的現(xiàn)象?？梢栽跊]有介質(zhì)的情況下發(fā)生，例如在太空或真空環(huán)境中；并可由任何溫度高于絕對(duì)零度的物體發(fā)出。一個(gè)典型的例子便是我們從太陽(yáng)感受到的熱量或溫暖。熱輻射傳遞的熱量取決于物體的物理表面特性，例如顏色、方向和粗糙度。熱輻射由Stefan-Boltzmann方程描述如下：

其中

幾何形狀因子F是物體發(fā)出輻射后被周圍區(qū)域表面吸收的輻射百分比。如果對(duì)象是封閉的，則幾何形狀因子F = 1。

熱輻射的熱阻可通過其傳熱方程進(jìn)行線性估計(jì)：

其中

下表總結(jié)了三種熱傳輸機(jī)制的公式：

上述熱阻方程提供了一種用于分析系統(tǒng)熱行為的電路方法。值得注意的是，由于我們可能無(wú)法獲悉感興趣元件的幾何屬性和材料屬性，我們可能還需要一些額外的近似值才能獲得實(shí)際的熱阻值：比如計(jì)算熱輻射所需知道的發(fā)射率和幾何形狀因子參數(shù)。此外，在電阻網(wǎng)絡(luò)方法中，非線性尤其是輻射電阻的非線性是被忽略的，但該技術(shù)對(duì)于以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主的大多數(shù)電子系統(tǒng)而言，仍然具有良好的精準(zhǔn)度（注意：熱輻射電阻和熱對(duì)流電阻在具有介質(zhì)的系統(tǒng)中會(huì)同時(shí)出現(xiàn)）。另外，網(wǎng)絡(luò)方法不僅可以很好地洞察系統(tǒng)的熱特性，更是電氣工程師非常熟悉的領(lǐng)域。

今天的文章就到這里，在下一篇中我們將使用熱電阻的概念來(lái)開發(fā)系統(tǒng)的熱網(wǎng)絡(luò)。最后一篇文章里我們將對(duì)冷卻技術(shù)展開討論，從而幫助電氣工程師冷卻電子系統(tǒng)。