導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻基本概念

1、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻一、定義導(dǎo)熱系數(shù)入:是指在穩(wěn)定傳熱條件下，設(shè)在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向取兩個相距1米，面積為1平方米的平行面，而這兩個平面的溫度相差1度，則在1秒內(nèi)從一個平面?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）以下的材料稱為絕熱材料。導(dǎo)熱系數(shù)反應(yīng)的是導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，則其導(dǎo)熱性越好。熱阻e :就是熱流量在通過物體時，在物體兩端形成的溫度差。即： 0 = （T2-T1）/P （1）單位是：C /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)、無內(nèi)熱源的情況下的熱

2、阻。熱阻反應(yīng)的是導(dǎo)熱材料對熱流傳導(dǎo)的阻礙能力，導(dǎo)熱材料的熱阻越大，則其對熱 傳導(dǎo)的阻礙能力越強(qiáng)。一般可以通過下面公式計(jì)算導(dǎo)熱系統(tǒng)端點(diǎn)的溫度：（T2 T1）= P0 ,熱源功率越小,熱阻越小，其熱流傳導(dǎo)能力越好，熱阻越大，熱流傳導(dǎo)能力越差。熱阻還可以由下式表達(dá)：。=L/（入S） （2）式中：入是導(dǎo)熱系數(shù)，L是材料厚度或長度，S是傳熱面積。物體對熱流傳導(dǎo)的阻礙能力，與傳導(dǎo)路徑長度成正比，與 通過的截面積成反比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。二、對導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻的理解和應(yīng)用場合導(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。它是評價物

3、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。對非均勻厚度的物體，均勻熱流密度的熱流通過物體后，兩端任意兩點(diǎn)的溫度差 可能是不同的，也就是說，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點(diǎn)之間的熱阻，并且兩點(diǎn)之 間沒有其它的熱源。它反映的是特定兩點(diǎn)間的導(dǎo)熱能力。就是說，給定了熱阻值，同 時必須明確給出計(jì)量的起點(diǎn)和終點(diǎn)。偏離了這兩個位置點(diǎn)，這個熱阻值就沒有意義了。純就每種物質(zhì)而言，談熱阻是沒有太大意義的。因?yàn)閹缀涡螤畈煌瑹嶙杈筒煌?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

4、，截面積相同、長度不同的柱體，它們的導(dǎo)熱系數(shù)是相同的，而它 們兩對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，它們的兩個對面的熱 阻可能不同。某些不同形狀的物體，熱源端某點(diǎn)到對面某點(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，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。這對實(shí)際應(yīng)用測量是很方便的。式（2）則是根據(jù)材料特征來計(jì)算熱阻。利用公式（2）,可以不用做實(shí)際的測量實(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。這對做 模擬計(jì)算是非常好

5、的理論依據(jù)。同時，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)用問題采用熱阻的概念，只能是兩個系統(tǒng)保持不變的情況下來分析、比較系統(tǒng)的熱狀態(tài)。 兩個系統(tǒng)若有改變，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,見圖2和圖3,它們的結(jié)構(gòu)尺寸見圖 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 3產(chǎn) 品的1.54倍?？稍趯?shí)際使用中，圖 3的芯片溫度要低。怎么會這樣？因?yàn)?，它的底?下部的面積大，便于熱流橫向擴(kuò)展。上面的計(jì)算沒有考慮熱流橫向擴(kuò)展！它們實(shí)際應(yīng) 用時，還必須要加散熱器，見圖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

6、2的LED接觸面小，熱量在往散熱器上傳導(dǎo)時，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，雖然圖3的結(jié)構(gòu)縱向路徑長了，但由于有了好的橫向路徑，其實(shí)熱阻反倒小了。A表面積比B表面積大一倍，似乎B的熱阻就會小于A。事實(shí)上是B和再比如，兩個材料、工藝相同制成的散熱器，A的熱阻比B小，A要好。可是，給B配上風(fēng)扇， 風(fēng)扇形成了系統(tǒng)，是這個系統(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的比較就沒有意義，因?yàn)?B不是單獨(dú)使用。這個例子是有實(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，

7、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，可以選取一個 較小的散熱器，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，但在兩個系統(tǒng)中，我們也不能單以兩個散 熱器的熱阻大小來說好壞。在系統(tǒng)構(gòu)成后，不用熱阻的概念，通過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?？梢詼y試相關(guān)點(diǎn)的溫度 就知道結(jié)果。沒有必要已經(jīng)知道了相關(guān)點(diǎn)的溫度后再去算出個熱阻來。通過相關(guān)點(diǎn)的 溫度值已經(jīng)很明確了哪個好，哪個不好。如果說不是測試，而是要通過模擬計(jì)算得到 結(jié)果的話，在模擬計(jì)算中，也是

8、通過導(dǎo)熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，先算出相關(guān)點(diǎn)的溫度。計(jì) 算得到了各點(diǎn)的溫度，導(dǎo)熱好壞也就明了了。也可以不需要再多算一步來算出熱阻值。對于熱系統(tǒng)間的比較，僅僅知道各系統(tǒng)的熱阻值，也無法比較哪個好壞。舉例說明。兩個不同LED燈具，采用相同型號、規(guī)格和數(shù)量的LED,它們的芯片PN結(jié)到燈具最外端的熱阻不同?？墒沁@兩個燈具設(shè)計(jì)的芯片工作電流是不同的。一個 燈具的工作電流比另一個要小的多，即使這個燈具的熱阻大些，它的芯片溫度還是要 低，它的壽命相對就要好。所以，給出熱阻值而不同時了解其它相關(guān)條件，單從熱阻 值來比較這兩個燈具，是沒有意義的。而若給出燈具在正常工作條件下的溫度值，則 可以很好低判定它們的熱狀況好壞了，由此才可以推斷哪個燈具的可靠性和壽命會好。當(dāng)然，熱阻的概念也還是有用的。比如，某些元件出廠后，用戶可能無法測試其 內(nèi)部熱源點(diǎn)的溫度，這樣用戶就無法利用公式（1）和（2）來做后續(xù)應(yīng)用的測試和設(shè)計(jì)計(jì)算。比如半導(dǎo)體二極管、 LED等元件，用戶無法測試 PN結(jié)處的溫度。廠家可以根 據(jù)半導(dǎo)體物理的理論，根據(jù) PN結(jié)在穩(wěn)定的電流下結(jié)溫與正