Тепловая контактная проводимость

В физике теплоконтактная проводимость — это исследование теплопроводности между твердыми или жидкими телами при тепловом контакте . Коэффициент теплопроводности контакта , $h_{c}$ , — это свойство, указывающее на теплопроводность или способность проводить тепло между двумя контактирующими телами. Обратное этому свойству называется термическим контактным сопротивлением .

Определение

Когда два твердых тела вступают в контакт, например A и B на рисунке 1, тепло передается от более горячего тела к более холодному. По опыту профиль температуры вдоль двух тел варьируется примерно так, как показано на рисунке. На границе двух контактирующих поверхностей наблюдается падение температуры. Говорят, что это явление является результатом термического контактного сопротивления, существующего между контактирующими поверхностями. Термическое сопротивление контакта определяется как соотношение между этим падением температуры и средним тепловым потоком через интерфейс. ^[1]

Согласно закону Фурье , тепловой поток между телами находится по соотношению:

q=-kA{\frac {dT}{dx}}

( 1 )

где $q$ это тепловой поток, $k$ - теплопроводность, $A$ площадь поперечного сечения и $dT/dx$ – градиент температуры в направлении потока.

Из соображений сохранения энергии тепловой поток между двумя соприкасающимися телами, телами A и B, находится как:

q={\frac {T_{1}-T_{3}}{X_{A}/(k_{A}A)+1/(h_{c}A)+X_{B}/(k_{B}A)}}

( 2 )

Можно заметить, что тепловой поток напрямую связан с теплопроводностью соприкасающихся тел: $k_{A}$ и $k_{B}$ , площадь контакта $A$ и термическое контактное сопротивление, $1/h_{c}$ , который, как отмечалось ранее, является обратной величиной коэффициента теплопроводности, $h_{c}$ .

Важность

Большинство экспериментально определенных значений термического контактного сопротивления находятся между0,000005 и 0,0005 м ² К/Вт (соответствующий диапазон термического контактапроводимость от 200 000 до 2000 Вт/м ² К). Чтобы узнать, является ли термическое контактное сопротивление значительным или нет, величины термических сопротивлений слоев сравнивают с типовыми значениями термоконтактного сопротивления. Термическое контактное сопротивление является значительным и может преобладать у хороших проводников тепла, таких как металлы, но им можно пренебречь для плохих проводников тепла, таких как изоляторы. ^[2]Тепловая контактная проводимость является важным фактором во многих приложениях, главным образом потому, что многие физические системы содержат механическую комбинацию двух материалов. Вот некоторые области, в которых контактная проводимость имеет важное значение: ^[3]^[4]^[5]

Электроника
- Электронная упаковка
- Радиаторы
- Кронштейны
Промышленность
- ядерного реактора Охлаждение
- газовой турбины Охлаждение
- Двигатели внутреннего сгорания
- Теплообменники
- Теплоизоляция
- Прессовая закалка автомобильных сталей
Полет
- Гиперзвуковые летательные аппараты
- Тепловой надзор за космическими аппаратами
Жилищно-строительная наука
- Характеристики ограждающих конструкций

Факторы, влияющие на контактную проводимость

Тепловая контактная проводимость — сложное явление, на которое влияет множество факторов. Опыт показывает, что наиболее важными из них являются следующие:

Контактное давление

При теплопереносе между двумя контактирующими телами, такими как частицы в сыпучей среде, контактное давление является фактором, оказывающим наибольшее влияние на общую контактную проводимость. С ростом контактного давления увеличивается истинная площадь контакта и увеличивается контактная проводимость (контактное сопротивление становится меньше). ^[6]

Поскольку контактное давление является наиболее важным фактором, большинство исследований, корреляций и математических моделей для измерения контактной проводимости выполняются в зависимости от этого фактора.

Термическое контактное сопротивление некоторых видов сэндвич-материалов, изготовленных прокаткой при высоких температурах, иногда можно не учитывать, поскольку уменьшение теплопроводности между ними незначительно.

Межстраничные материалы

По-настоящему гладких поверхностей на самом деле не существует, а дефекты поверхности видны под микроскопом . В результате при сжатии двух тел контакт осуществляется лишь в конечном числе точек , разделенных сравнительно большими зазорами, как это видно на рис. 2. Поскольку фактическая площадь контакта уменьшается, появляется еще одно сопротивление тепловому потоку. существует. Газы заполняющие / жидкости, эти зазоры, могут в значительной степени влиять на общий тепловой поток через границу раздела. Теплопроводность межузельного материала и его давление, рассматриваемые с помощью числа Кнудсена , являются двумя свойствами, определяющими его влияние на контактную проводимость и теплоперенос в гетерогенных материалах в целом. ^[6]

В отсутствие межузельных материалов, как в вакууме , контактное сопротивление будет значительно больше, поскольку поток через точки тесного контакта является доминирующим.

Шероховатость, волнистость и плоскостность поверхности

Поверхность, подвергшуюся определенным операциям отделки , можно охарактеризовать тремя основными свойствами: шероховатостью, волнистостью и фрактальной размерностью . Среди них наибольшее значение имеют шероховатость и фрактальность, причем шероховатость часто обозначается в виде среднеквадратического значения. $\sigma$ и поверхностная фрактальность, обычно обозначаемая D _f . Влияние поверхностных структур на теплопроводность на границах раздела аналогично концепции электрического контактного сопротивления , также известной как ECR , включающей ограниченный перенос фононов , а не электронов в пятне контакта.

Деформации поверхности

Когда два тела вступают в контакт, поверхностная деформация может произойти на обоих телах. Эта деформация может быть пластической или упругой , в зависимости от свойств материала и контактного давления. Когда поверхность подвергается пластической деформации, контактное сопротивление снижается, поскольку деформация приводит к увеличению фактической площади контакта. ^[7]^[8]

Чистота поверхности

Наличие пыли частиц , кислот и т. д. также может влиять на проводимость контакта.

Измерение тепловой контактной проводимости

Возвращаясь к формуле 2, расчет теплопроводности контакта может оказаться трудным, даже невозможным из-за сложности измерения площади контакта. $A$ (Произведение характеристик поверхности, как объяснялось ранее). По этой причине контактную проводимость/сопротивление обычно определяют экспериментально, используя стандартную аппаратуру. ^[9]

Результаты таких экспериментов обычно публикуются в инженерной литературе , в таких журналах , как Journal of Heat Transfer , International Journal of Heat and Mass Transfer и т. д. К сожалению, централизованной базы данных коэффициентов контактной проводимости не существует, что иногда приводит к тому, что компании использовать устаревшие, нерелевантные данные или вообще не принимать во внимание контактную проводимость.

CoCoE (Contact Conductance Estimator), проект, созданный для решения этой проблемы и создания централизованной базы данных контактной проводимости и компьютерной программы, которая ее использует, был запущен в 2006 году .

Тепловая граничная проводимость

Хотя конечная тепловая контактная проводимость обусловлена пустотами на границе раздела, волнистостью и шероховатостью поверхности и т. д., конечная проводимость существует даже на границах, близких к идеальным. Эта проводимость, известная как тепловая граничная проводимость , обусловлена различиями в электронных и вибрационных свойствах контактирующих материалов. Эта проводимость обычно намного выше, чем проводимость теплового контакта, но становится важной в наноразмерных материальных системах.

См. также

Теплопередача

Ссылки

^ Холман, JP (1997). Теплопередача, 8-е издание . МакГроу-Хилл .
^ Ченгель. Введение в термодинамику и теплопередачу .
^ Флетчер, Л.С. (ноябрь 1988 г.). «Последние разработки в области контактной теплопередачи». Журнал теплопередачи . 110 (4б): 1059–1070. Бибкод : 1988ATJHT.110.1059F . дои : 10.1115/1.3250610 .
^ Мадхусудана, резюме; Линг, Ф.Ф. (1995). Тепловая контактная проводимость . Спрингер .
^ Ламберт, Массачусетс; Флетчер, Л.С. (ноябрь 1997 г.). «Тепловая контактная проводимость сферических необработанных металлов». Журнал теплопередачи . 119 (4): 684–690. дои : 10.1115/1.2824172 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ган, Ю; Эрнандес, Ф; и др. (2014). «Термический анализ дискретных элементов твердого бланкета ЕС, подвергнутого нейтронному облучению». Наука и технология термоядерного синтеза . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . Бибкод : 2014FuST...66...83G . дои : 10.13182/FST13-727 . S2CID 51903434 .
^ Уильямсон, М.; Маджумдар, А. (ноябрь 1992 г.). «Влияние поверхностных деформаций на контактную проводимость». Журнал теплопередачи . 114 (4): 802–810. дои : 10.1115/1.2911886 .
^ Отдел теплопередачи (ноябрь 1970 г.). «Проводимость в твердых телах - устойчивое состояние, несовершенный контакт поверхности металла с металлом». Дженерал Электрик Инк .
^ ASTM D 5470-06 Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов

Внешние ссылки

Project CoCoE - Бесплатное программное обеспечение для оценки TCC

[1] Холман, JP (1997). Теплопередача, 8-е издание . МакГроу-Хилл .

[2] Ченгель. Введение в термодинамику и теплопередачу .

[3] Флетчер, Л.С. (ноябрь 1988 г.). «Последние разработки в области контактной теплопередачи». Журнал теплопередачи . 110 (4б): 1059–1070. Бибкод : 1988ATJHT.110.1059F . дои : 10.1115/1.3250610 .

[4] Мадхусудана, резюме; Линг, Ф.Ф. (1995). Тепловая контактная проводимость . Спрингер .

[5] Ламберт, Массачусетс; Флетчер, Л.С. (ноябрь 1997 г.). «Тепловая контактная проводимость сферических необработанных металлов». Журнал теплопередачи . 119 (4): 684–690. дои : 10.1115/1.2824172 .

[fusion-6] Перейти обратно: ^а ^б Ган, Ю; Эрнандес, Ф; и др. (2014). «Термический анализ дискретных элементов твердого бланкета ЕС, подвергнутого нейтронному облучению». Наука и технология термоядерного синтеза . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . Бибкод : 2014FuST...66...83G . дои : 10.13182/FST13-727 . S2CID 51903434 .

[7] Уильямсон, М.; Маджумдар, А. (ноябрь 1992 г.). «Влияние поверхностных деформаций на контактную проводимость». Журнал теплопередачи . 114 (4): 802–810. дои : 10.1115/1.2911886 .

[8] Отдел теплопередачи (ноябрь 1970 г.). «Проводимость в твердых телах - устойчивое состояние, несовершенный контакт поверхности металла с металлом». Дженерал Электрик Инк .

[9] ASTM D 5470-06 Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]