Tepelná kontaktní vodivost - Thermal contact conductance

v fyzika, tepelná kontaktní vodivost je studium vedení tepla mezi pevný těla v tepelný kontakt. The součinitel tepelné kontaktní vodivosti, ${displaystyle h_ {c}}$, je vlastnost označující tepelná vodivost nebo schopnost chování teplo, mezi dvěma těly v kontaktu. Inverzní funkce je pojmenována odpor tepelného kontaktu.

Definice

Obrázek 1: Tok tepla mezi dvěma pevnými látkami v kontaktu a rozložení teploty.

Když dvě pevná tělesa přijdou do styku, jako A a B na obrázku 1, teplo proudí z teplejšího tělesa do chladnějšího tělesa. Ze zkušenosti teplota profil podél dvou těl se mění přibližně, jak je znázorněno na obrázku. Pokles teploty je pozorován na rozhraní mezi dvěma povrchy, které jsou v kontaktu. Tento jev je považován za výsledek a odpor tepelného kontaktu mezi dotykovými plochami. Tepelný kontaktní odpor je definován jako poměr mezi tímto poklesem teploty a průměrným tepelným tokem přes rozhraní.^[1]

Podle Fourierův zákon, je tok tepla mezi tělesy zjištěn vztahem:

${displaystyle q = -kA {frac {dT} {dx}}}$

(1)

kde ${displaystyle q}$ je tok tepla, ${displaystyle k}$ je tepelná vodivost, ${displaystyle A}$ je plocha průřezu a ${displaystyle dT / dx}$ je teplotní gradient ve směru proudění.

Z úvah o úspora energie, je tepelný tok mezi dvěma kontaktními tělesy, tělesy A a B, zjištěn jako:

${displaystyle q = {frac {T_ {1} -T_ {3}} {Delta x_ {A} / (k_ {A} A) + 1 / (h_ {c} A) + Delta x_ {B} / (k_ {B} A)}}}$

(2)

Lze pozorovat, že tok tepla přímo souvisí s tepelnou vodivostí kontaktních těles, ${displaystyle k_ {A}}$ a ${displaystyle k_ {B}}$, kontaktní oblast ${displaystyle A}$a odpor tepelného kontaktu, ${displaystyle 1 / h_ {c}}$, což je, jak již bylo uvedeno, inverzní součinitel tepelné vodivosti, ${displaystyle h_ {c}}$.

Důležitost

Většina experimentálně určených hodnot tepelného kontaktního odporu klesá mezi 0,000005 a 0,0005 m² K / W (odpovídající rozsah tepelné kontaktní vodivosti je 200 000 až 2 000 W / m² K). Abychom věděli, zda je tepelný kontaktní odpor významný nebo ne, porovnávají se velikosti tepelných odporů vrstev s typickými hodnotami tepelného kontaktního odporu. Tepelný kontaktní odpor je významný a může převládat u dobrých tepelných vodičů, jako jsou kovy, ale může být zanedbáván u špatných tepelných vodičů, jako jsou izolátory.^[2]Tepelná kontaktní vodivost je důležitým faktorem v různých aplikacích, zejména proto, že mnoho fyzických systémů obsahuje a mechanické kombinace dvou materiálů. Některá z polí, kde je důležitá kontaktní vodivost, jsou:^[3][4][5]

• Elektronika
  • Elektronické balení
  • Chladiče
  • Závorky
• Průmysl
  • Nukleární reaktor chlazení
  • Plynová turbína chlazení
  • Vnitřní spalovací motory
  • Tepelné výměníky
  • Tepelná izolace
• Let
  • Nadzvukový let vozidla
  • Tepelný dohled pro prostor vozidla
• Rezidenční / stavební věda
  • Výkon obvodových plášťů budov

Faktory ovlivňující kontaktní vodivost

Obr. 2: Zvětšení rozhraní mezi dvěma styčnými plochami. Kvalita povrchové úpravy je kvůli argumentu přehnaná.

Tepelná kontaktní vodivost je komplikovaný jev, ovlivněný mnoha faktory. Zkušenosti ukazují, že nejdůležitější jsou tyto:

Kontaktní tlak

Pro tepelný transport mezi dvěma kontaktními tělesy, jako jsou částice v granulovaném médiu, kontakt tlak je faktorem, který nejvíce ovlivňuje celkovou kontaktní vodivost. Jak kontaktní tlak roste, zvyšuje se skutečná kontaktní plocha a roste kontaktní vodivost (kontaktní odpor se zmenšuje).^[6]

Protože kontaktní tlak je nejdůležitějším faktorem, většina studií, korelace a matematické modely pro měření kontaktní vodivosti se provádí jako funkce tohoto faktoru.

Tepelný kontaktní odpor určitých sendvičových druhů materiálů, které se vyrábějí válcováním za vysokých teplot, může být někdy ignorován, protože pokles tepelné vodivosti mezi nimi je zanedbatelný.

Vsunuté materiály

Ve skutečnosti neexistují žádné skutečně hladké povrchy a nedokonalosti povrchu jsou viditelné pod a mikroskop. Výsledkem je, že když jsou dvě těla stlačena k sobě, kontakt se provádí pouze v konečném počtu bodů, oddělených relativně velkými mezerami, jak je znázorněno na obr. 2. Jelikož je skutečná kontaktní plocha snížena, další odpor pro tepelný tok existuje. The plyny /tekutiny vyplnění těchto mezer může do značné míry ovlivnit celkový tok tepla přes rozhraní. Tepelná vodivost vsunutého materiálu a jeho tlak, zkoumané s odkazem na Knudsenovo číslo, jsou dvě vlastnosti ovlivňující jeho vliv na kontaktní vodivost a tepelný transport v heterogenních materiálech obecně.^[6]

Při absenci vsunutých materiálů, jako v a vakuum, kontaktní odpor bude mnohem větší, protože tok přes intimní kontaktní body je dominantní.

Drsnost povrchu, vlnitost a rovinnost

Lze charakterizovat povrch, který prošel určitým dokončování operace třemi hlavními vlastnostmi: drsnost, vlnitost,a fraktální dimenze. Mezi nimi je nejdůležitější drsnost a fraktalita, přičemž drsnost se často označuje jako a rms hodnota, ${displaystyle sigma}$ a fraktálnost povrchu označená obecně D_F. Vliv povrchových struktur na tepelnou vodivost na rozhraních je analogický s konceptem odpor elektrického kontaktu, také známý jako Pokladna, zahrnující dopravu omezenou na kontaktní opravu fonony spíše než elektrony.

Povrchové deformace

Když se obě těla dostanou do kontaktu, vynoří se deformace může dojít na obou tělech. Tato deformace může být buď plastický nebo elastický, v závislosti na vlastnostech materiálu a kontaktním tlaku. Když povrch prochází plastickou deformací, kontaktní odpor se sníží, protože deformace způsobí zvýšení skutečné kontaktní plochy^[7][8]

Čistota povrchu

Přítomnost někoho prach částice, kyseliny, atd., mohou také ovlivnit kontaktní vodivost.

Měření tepelné kontaktní vodivosti

Vraťme se zpět k Formule 2, výpočet tepelné kontaktní vodivosti se může ukázat jako obtížný, dokonce nemožný, kvůli obtížnosti měření kontaktní plochy, ${displaystyle A}$ (Produkt povrchových charakteristik, jak bylo vysvětleno dříve). Z tohoto důvodu se kontaktní vodivost / odpor obvykle zjistí experimentálně pomocí standardního přístroje.^[9]

Výsledky takových experimentů jsou obvykle publikovány v Inženýrství literatura, na deníky jako Journal of Heat Transfer, International Journal of Heat and Mass Transfer atd. Bohužel centralizovaná databáze koeficienty kontaktní vodivosti neexistují, situace, která někdy způsobí, že společnosti používají zastaralé, irelevantní údaje, nebo kontaktní vodivost vůbec neberou v úvahu.

CoCoE (Contact Conductance Estimator), projekt založený na řešení tohoto problému a vytvoření centralizované databáze údajů o vodivosti kontaktů a počítačového programu, který je používá, byl zahájen v 2006.

Tepelná hraniční vodivost

Zatímco konečná tepelná kontaktní vodivost je způsobena dutinami na rozhraní, vlnitostí povrchu a drsností povrchu atd., Existuje konečná vodivost i na téměř ideálních rozhraních. Tato vodivost, známá jako tepelná hraniční vodivost, je způsoben rozdíly v elektronických a vibračních vlastnostech mezi kontaktujícími materiály. Tato vodivost je obecně mnohem vyšší než tepelná kontaktní vodivost, ale stává se důležitou v materiálových systémech v nanoměřítku.

Viz také

• Přenos tepla

Reference

externí odkazy

• Projekt CoCoE - Svobodný software pro odhad TCC