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热接触阻力

在电流流动和热流动之间模拟很有用,当需要满意地描述两个传导介质的界面上的传热时,这种有用性是显而易见的。由于机械加工的局限性,当两个固体表面压在一起时,不会永远形成理想接触。两个接触的表面由于其粗糙性,表面之间始终会存在微小的空气间隙。

通过两个接触面之间的界面,存在两种模式的传热。第一种是通过固体到固体接触的点的传导传热(Q传导),这种传热非常有效。第二种是通过填充间隙的空气的传导传热(Q间隙),由于空气的热导率较低,这种传热可能很弱。为了论述热接触阻力,在两边具有传导介质的一组物体中加上界面传导率 hc,如下图所示。

传导率 hc 与对流传热系数相似,它具有相同的单位 (W/m2 ºK)。如果 ΔT 是区域 A 的界面上的温差,则传热速率 Q 可以由 Q = A hc ΔT 公式计算。利用电热模拟,可以写出 Q = ΔT/Rt,其中 Rt 是热接触阻力,由 Rt = 1/(A hc) 公式计算。

界面传导率 hc 取决于以下因素:

  • 接触面的表面粗糙度。
  • 每个面的材料。
  • 将表面压在一起的压力。
  • 两个接触面之间的间隙中的物质。

下表显示了对于正常表面粗糙度和中等接触压力(1 到 10 atm)的界面传导率的一些典型值。除非指出,否则空气间隙没有抽空:

热阻,RX10-4 (m2.K/W)
 
接触压力 100 kN/m2 10,000 kN/m2
不锈钢 6-25 0.7-4.0
1-10 0.1-0.5
1.5-3.5 0.2-0.4
1.5-5.0 0.2-0.4

下表列出了真空条件下金属界面的热接触阻力:

接触面 传导率 (hc) (W/m2 ºK)
铁/铝 45,000
红铜/红铜 10,000 - 25,000
铝/铝 2200 - 12000
不锈钢/不锈钢 2000 - 3700
不锈钢/不锈钢 (已抽空间隙) 200 - 1100
陶瓷/陶瓷 500 - 3000


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