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熱接觸阻力

當需要完整描述兩傳導介質介面的熱傳遞時,電流及熱流的類比就變得很有用。基於機械加工的限制,當兩實體表面接觸時,無法構成完美接觸。因為兩接觸面並非完全光滑,所以兩者間總會有些微的間隙。

透過兩接觸面間的介面,形成兩種熱傳遞模式。第一個是透過實體與實體間接觸點的傳導 (Qconduction),此種方式十分有效。其次是透過填充於間隙間的氣體傳導 (Qgap),由於此種方式的熱傳導率低,所以效果不彰。為處理熱接觸阻力,我們將介面傳導係數 hc 置於兩端傳導介質中間,如下圖所示。

傳導係數 hc 類似於對流熱傳導遞係數,並具有相同單位 (W/m2 ºK)。如果 ΔT 為面積 A 介面的溫差,而熱傳遞速率 Q 的計算公式為 Q = A hc ΔT。利用電流-熱流的類比,您就可寫出 Q = ΔT/Rt,其中 Rt 為熱接觸阻力,其計算公式為:Rt = 1/(A hc)。

介面傳導係數 hc 則視下列係數而定:
  • 接觸面的表面平滑度。
  • 每個面的材料。
  • 將兩表面推合在一起的壓力。
  • 兩接觸面之間間隙的物質。

下表列出垂直表面光滑度的介面傳導係數及適當接觸壓力 (1 到 10 atm)。除非另行標明,空氣間隙並未排除:

接觸面 傳導係數 (hc) (W/m2 ºK)
鐵/鋁 45,000
銅/銅 10,000 - 25,000
鋁/鋁 2200 - 12000
不?鋼/不?鋼 2000 - 3700
不?鋼/不?鋼 (排除間隙) 200 - 1100
陶瓷/陶瓷 500 - 3000

下表列出在真空狀況下,金屬介面間的熱接觸阻力:

熱阻力,RthermalX10-4 (m2.K/W)
接觸壓力 100 kN/m2 10,000 kN/m2
不?鋼 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


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