熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)

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1、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的實(shí)際應(yīng)用夏俊峰2009.08第2版一、定義導(dǎo)熱系數(shù)λ：是指在穩(wěn)定傳熱條件下，設(shè)在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向取兩個(gè)相距1米，面積為1平方米的平行面，而這兩個(gè)平面的溫度相差1度，則在1秒內(nèi)從一個(gè)平面?zhèn)鲗?dǎo)到另一平面的熱量就規(guī)定為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率。其單位為：瓦/（米·度）,導(dǎo)熱系數(shù)在0.12瓦/（米·度）以下的材料稱(chēng)為絕熱材料。熱阻θ：就是熱流量在通過(guò)物體時(shí)，在物體兩端形成的溫度差。即：θ＝(T2－T1)/P——（1）單位是：℃/W。式中：T2是熱源溫度T1是導(dǎo)熱系統(tǒng)端點(diǎn)的溫度P是熱源的功率（1）式是指在一維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源的情況下的熱阻。物體對(duì)熱流傳導(dǎo)的阻礙能力，與傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度成正比，與

2、通過(guò)的截面積成反比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。熱阻還可以由下式表達(dá)：θ＝L/(λS)——（2）式中：λ是導(dǎo)熱系數(shù)L是材料厚度S是傳熱面積二、對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻的理解和應(yīng)用場(chǎng)合導(dǎo)熱系數(shù)反映的是物質(zhì)在單位體積下的導(dǎo)熱能力。實(shí)際上它反映了物質(zhì)導(dǎo)熱的固有能力。這種能力是由物質(zhì)的原子或分子結(jié)構(gòu)決定的。它是評(píng)價(jià)物質(zhì)之間導(dǎo)熱能力的參數(shù)。熱阻其實(shí)是導(dǎo)熱系數(shù)與物體的幾何形狀相結(jié)合而體現(xiàn)的該形狀物體的導(dǎo)熱能力。對(duì)非均勻厚度的物體，均勻熱流密度的熱流通過(guò)物體后，兩端任意兩點(diǎn)的溫度差可能是不同的，也就是說(shuō)，任意兩點(diǎn)間的熱阻可能是不同的。談熱阻，必須要明確這一點(diǎn)：熱阻必須是指定的兩個(gè)點(diǎn)之間的熱阻，并且兩點(diǎn)之間沒(méi)有其它的熱

3、源。它反映的是特定兩點(diǎn)間的導(dǎo)熱能力。就是說(shuō)，給定了熱阻值，同時(shí)必須明確給出計(jì)量的起點(diǎn)和終點(diǎn)。偏離了這兩個(gè)位置點(diǎn)，這個(gè)熱阻值就沒(méi)有意義了。參看圖1，從1、2點(diǎn)分別到A、B、C點(diǎn)的熱阻芯片PN結(jié)都是不同的,即：底板（熱源）12θ1A≠θ1B≠θ2B≠θ2A≠θ1C≠θ2CABC單純就每種物質(zhì)而言，談熱阻是沒(méi)有太大意義圖1的。因?yàn)閹缀涡螤畈煌?，熱阻就不同了。只有確定了幾何形狀，才可以利用熱阻的概念做導(dǎo)熱能力的比較。比如：a.同一種材料，截面積相同、長(zhǎng)度不同的柱體，它們的導(dǎo)熱系數(shù)是相同的，而它們兩對(duì)面的熱阻是絕不同的。b.同一種材料，設(shè)計(jì)成不同的形狀，則不同幾何結(jié)構(gòu)之間，它們的兩個(gè)對(duì)面的熱阻可能不同

4、。某些不同形狀的物體，熱源端某點(diǎn)到對(duì)面某點(diǎn)和到側(cè)面某點(diǎn)的熱阻可能相同。公式（1）可以不考慮材料的幾何形狀與構(gòu)成。也就是說(shuō)，不管傳導(dǎo)熱的物體是什么形狀，也不管是由幾種材料組合而成，只要測(cè)得兩點(diǎn)間的溫度和施加的熱功率，就可以得到熱阻值。這對(duì)實(shí)際應(yīng)用測(cè)量是很方便的。公式（2）則是根據(jù)材料特征來(lái)計(jì)算熱阻。利用公式（2），可以不用做實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，利用各材料的導(dǎo)熱系數(shù)和各組成材料的幾何形狀，就可以計(jì)算出熱阻。這對(duì)做模擬計(jì)算是非常好的理論依據(jù)。同時(shí)，公式（2）更容易讓人理解熱阻產(chǎn)生的本質(zhì)。三、導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻的應(yīng)用問(wèn)題采用熱阻的概念，只能是兩個(gè)系統(tǒng)保持不變的情況下來(lái)分析、比較系統(tǒng)的熱狀態(tài)。兩個(gè)系統(tǒng)若有改變

5、，比較的結(jié)果可能完全相反。比如，兩種不帶鋁基板的1W白光LED，見(jiàn)圖2和圖3，它們的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖4和圖5，根據(jù)銅底座尺寸，按照公式（2）計(jì)算，圖2產(chǎn)品的中心軸向熱阻應(yīng)是圖2產(chǎn)品的1.54倍?？稍趯?shí)際使用中，圖3的芯片溫度要低。怎么會(huì)這樣？因?yàn)椋牡装逑虏康拿娣e大，便于熱流橫向擴(kuò)展。上面的計(jì)算沒(méi)有考慮熱流橫向擴(kuò)展！它們實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還必須要加散熱器，見(jiàn)圖5。通常散熱器是鋁合金材料，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于純銅材料。圖2的LED接觸面小，熱量在往散熱器上傳導(dǎo)時(shí)，橫向的熱阻就大了；而圖3的產(chǎn)品由于銅底座面積大，熱量便于橫向散開(kāi)傳導(dǎo)到散熱器上，使得熱流密度減小，將熱量更有效地傳導(dǎo)到散熱器的外部翅片上。所以，雖

6、然圖3的結(jié)構(gòu)縱向路徑長(zhǎng)了，但由于有了好的橫向路徑，其實(shí)熱阻反倒小了。LEDCHIP圖4θa＞θb2.80.51.8圖2圖3LEDCHIP圖512.80.2φ61.352.55圖6再比如，兩個(gè)材料、工藝相同制成的散熱器，A表面積比B表面積大一倍，似乎A的熱阻比B小，A要好。可是，給B配上風(fēng)扇，B的熱阻就會(huì)小于A。事實(shí)上是B和風(fēng)扇形成了系統(tǒng)，是這個(gè)系統(tǒng)比A好。并不是A比B的熱阻小而最終在使用上A比B系統(tǒng)好。A和B的比較就沒(méi)有意義，因?yàn)锽不是單獨(dú)使用。這個(gè)例子是有實(shí)際應(yīng)用意義的。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的散熱器結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可能采用兩種方案：只用散熱器自然散熱和散熱器加風(fēng)扇散熱。在采用風(fēng)扇散熱時(shí)，可以選取一個(gè)較小

7、的散熱器，其與風(fēng)扇組合的散熱效果可能遠(yuǎn)優(yōu)于只采用一個(gè)較大的散熱器的效果。雖然小散熱器的熱阻大于大散熱器的熱阻，但在兩個(gè)系統(tǒng)中，我們也不能單以?xún)蓚€(gè)散熱器的熱阻大小來(lái)說(shuō)好壞。在系統(tǒng)構(gòu)成后，不用熱阻的概念，通過(guò)溫度值就可以知道導(dǎo)熱效果的差異。這里“系統(tǒng)的構(gòu)成后”是指相比較的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定，熱源確定。可以測(cè)試相關(guān)點(diǎn)的溫度就知道結(jié)果。沒(méi)有必要已經(jīng)知道了相關(guān)點(diǎn)的溫度后再去算出個(gè)熱阻來(lái)。通過(guò)相關(guān)點(diǎn)的溫度值已經(jīng)很明確了哪個(gè)好