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1、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的實際應(yīng)用夏俊峰2015.08.05第3版前言本文第1版最早于2007年7月發(fā)布在中國光學(xué)光電子行業(yè)論壇上，之后在2009年8月修改為第2版。本次做了全面的修改，增加了模擬計算的內(nèi)容，以說明如何來正確認(rèn)識熱阻概念。并通過簡單介紹模擬軟件中有關(guān)接觸熱阻的設(shè)置問題，讓讀者更好地認(rèn)識導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的實際應(yīng)用。需要說明的是，本文是討論僅在熱傳導(dǎo)方面，所有概念的定義也是針對熱傳導(dǎo)而言的。并且本文主要是針對LED應(yīng)用方面來談的。第一章有關(guān)理論知識介紹要講導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的問題，首先要搞清楚這兩個概念的定義。而要明確定義，必須要先介紹導(dǎo)熱的基本理論。在傳熱學(xué)中，關(guān)于熱傳導(dǎo)的基本理論就
2、是傅里葉定律。對于一維熱傳導(dǎo)，傅里葉定律表述為：單位時間內(nèi)通過厚度為L的熱量Q與厚度兩邊的溫度變化率ΔT及平板面積A成正比，即:QΔT??λA——（1）tL式中：λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)。負(fù)號表示熱量自溫度高向溫度低方向傳遞。對于上述導(dǎo)熱定律，讀者必須清楚，公式（1）僅是針對一維、熱流密度均勻、測溫的平面上溫度均勻相等的情況。也就是說，引起ΔT的因素是通過面積A的熱量Q。如果熱源有部分熱量沒有經(jīng)過面積A，則不能計算在內(nèi)。單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，就是熱功率，用P表示，單位是：瓦（W）。由公式（1）可以得知：導(dǎo)熱系數(shù)λ是指在穩(wěn)定傳熱條件下，單位時間內(nèi)通過物體單位距離、單位截面積的平行面、產(chǎn)生1
3、度溫差的熱量。其單位為：瓦/（米·度）。導(dǎo)熱系數(shù)和溫度有關(guān)。具體相關(guān)參數(shù)要查閱相關(guān)物料手冊。對公式（1）做個變換，可以得到：?TP?-——（2）L?A令：LRθ?——（3）λA公式（2）就可以簡化為：?TP?——（4）Rθ熱量傳遞是自然界中的一種轉(zhuǎn)移過程，與自然界中其它轉(zhuǎn)移過程，如電量的轉(zhuǎn)移、動量的轉(zhuǎn)移、質(zhì)量的轉(zhuǎn)移有類似之處。各種轉(zhuǎn)移過程的共同規(guī)律性可以歸結(jié)為：過程中的動力過程中的轉(zhuǎn)移量＝過程中的阻力由此，我們可將Rθ視為熱量傳導(dǎo)過程中的阻力，稱之為熱阻。傳導(dǎo)熱阻的定義：物體傳導(dǎo)熱阻與熱量通過路徑長度成正比，與路徑的面積成反比，相應(yīng)的比例系數(shù)是導(dǎo)熱系數(shù)，并與之成反比。其單位是：度/
4、瓦。在此，必須提請讀者明白：（1）一維熱傳導(dǎo)定律的表述是公式（1）、或（2）、或（4）。（2）下述幾種公式表述不是傅立葉熱傳導(dǎo)定律的表述，只能說是對熱傳導(dǎo)定律公式的數(shù)學(xué)變換式：Rθ=ΔT/P——（5）ΔT=P*Rθ——（6）（3）熱阻的定義絕不是公式（5）！對此可以做個討論。如果有人一定要認(rèn)為熱阻的定義是：ΔT/P（包括對流和輻射狀況），那么請問：一個結(jié)構(gòu)體，當(dāng)熱功率等于零時，根據(jù)這個定義，熱阻值是多少？可能有人說：無窮大也不為錯。反正沒有熱源，也不存在傳熱，熱阻是多少都無所謂。那么再請問：溫差為零時，熱阻值是多少？他又說：是零啊。好了，不管熱功率是零，還是溫差是零，都是因為沒有施
5、加熱源。但是對于同一個結(jié)構(gòu)體，你又認(rèn)為它的熱阻值是無窮大，而它同時又是零。豈不是陷入了悖論！那么請問：熱阻等于溫差除以功率的這個定義有意義嗎？（4）公式（4）、（5）、（6）只是表明三個參數(shù)之間存在的數(shù)值關(guān)系。三個參數(shù)都有各自的、且互不相關(guān)的定義。（5）多說一點，即使在對流和輻射散熱方面，也不能說熱阻的定義是溫差除以熱功率！同樣也只能說是三個參數(shù)之間存在的數(shù)值關(guān)系。（不要以為國外的資料、甚至標(biāo)準(zhǔn)上都講是定義，就認(rèn)同之。請讀者結(jié)合傳熱學(xué)理論及其它相關(guān)的知識好好地思考。）（6）有些人在講述熱傳導(dǎo)的公式（4）時，會說是根據(jù)歐姆定律，得出了公式（4）。這種認(rèn)識是及其錯誤的！是既不了解傳熱學(xué)
6、理論，也不了解歷史。事實上，傅立葉熱傳導(dǎo)定律比歐姆定律要早兩年問世。熱阻值只與材料參數(shù)相關(guān)，是否有熱流存在，以及是否存在溫度差，熱阻都客觀存在。熱阻的定義只能是公式（3）!看到一些人在運用散熱模擬軟件時，不知道該如何設(shè)置接觸熱阻，其根本原因就在于沒有搞清楚熱阻的定義。這方面的有關(guān)問題后面再談。上面介紹的傅立葉熱傳導(dǎo)定律，是一個理想化的一維熱傳導(dǎo)狀況。而實際的熱傳導(dǎo)狀況是三維的。這一點讀者必須明白。這非常重要！很多情況下，不能簡單運用公式（2）或（4）來計算。三維熱傳導(dǎo)，就需要通過解三維偏微分方程來計算。這方面要講，更多的是數(shù)學(xué)問題了，比較復(fù)雜，就不講了，有興趣的讀者自己看傳熱學(xué)理論
7、。傳熱學(xué)的基本理論，要記住幾個公式，其實并不難，難就難在吃透。熱阻這個概念在實際應(yīng)用中出現(xiàn)問題，關(guān)鍵就在于沒有吃透它。而根源在于沒有考慮到熱傳遞通常都是三維的。簡單地用一維公式去計算，就很容易發(fā)生錯誤。第二章熱阻概念在應(yīng)用中的問題第一節(jié)單一材料的特性參數(shù)中給出熱阻值是沒有意義的由于在中學(xué)都學(xué)過電阻的概念和定義，這里用電阻的概念來類比講解。我們?nèi)绻v，銅的電阻是多大，鐵的電阻是多少，這是沒有意義的。而且也不能說，銅的電阻和鐵的電阻哪個大。想必這個問題大家都能明白。具體材
