Тепловая проводимость контакта

В физике, проводимость теплового контакта - это исследование теплопроводности между твердыми телами в тепловом контакте. коэффициент теплопроводности, $hc\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{c\}\}$, является свойством, указывающим теплопроводность или способность проводить тепло между двумя контактирующими телами. Обратное этому свойству называется сопротивление теплового контакта .

• 1 Определение
• 2 Важность
• 3 Факторы, влияющие на контактную проводимость
  • 3.1 Контактное давление
  • 3.2 Материалы внедрения
  • 3.3 Шероховатость, волнистость и плоскостность поверхности
  • 3.4 Деформации поверхности
  • 3.5 Чистота поверхности
• 4 Измерение теплопроводности контакта
• 5 Граничная теплопроводность
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Рис. 1: Тепловой поток между двумя контактирующими твердыми телами и распределение температуры.

Когда два твердых тела входят в контакт, например, A и B на рисунке 1, тепло течет от более горячего тела к более холодному. По опыту видно, что профиль температуры вдоль двух тел примерно различается, как показано на рисунке. На границе между двумя контактирующими поверхностями наблюдается падение температуры. Это явление считается результатом теплового контактного сопротивления, существующего между контактирующими поверхностями. Термоконтактное сопротивление определяется как отношение между этим перепадом температуры и средним тепловым потоком через границу раздела.

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

$q\; =\; -\; k\; A\; d\; T\; dx\; \{\backslash \; displaystyle\; q\; =\; -kA\; \{\backslash \; frac\; \{dT\}\; \{dx\}\}\}$

(1)

где $q\; \{\; \backslash \; displaystyle\; q\}$- тепловой поток, $k\; \{\backslash \; displaystyle\; k\}$- теплопроводность, $A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$- площадь поперечного сечения, а $d\; T\; /\; dx\; \{\backslash \; displaystyle\; dT\; /\; dx\}$- температурный градиент в направлении потока.

Из соображений сохранения энергии тепловой поток между двумя контактирующими телами, телами A и B, определяется как:

$q\; =\; T\; 1\; -\; T\; 3\; \Delta \; x\; A\; /\; (k\; AA)\; +\; 1\; /\; (hc\; A)\; +\; \Delta \; x\; B\; /\; (k\; BA)\; \{\backslash \; displaystyle\; q\; =\; \{\backslash \; frac\; \{T\_\; \{1\}\; -T\_\; \{3\}\}\; \{\backslash \; Delta\; x\_\; \{A\}\; /\; (k\_\; \{A\}\; A)\; +\; 1\; /\; (h\_\; \{c\}\; A)\; +\; \backslash \; Delta\; x\_\; \{B\}\; /\; (k\_\; \{B\}\; A)\}\}\}$

(2)

Можно заметить, что тепловой поток непосредственно связанные с теплопроводностью соприкасающихся тел, $k\; A\; \{\backslash \; displaystyle\; k\_\; \{A\}\}$и $k\; B\; \{\backslash \; displaystyle\; k\_\; \{B\}\}$, площадь контакта $A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$и сопротивление теплового контакта $1\; /\; hc\; \{\backslash \; displaystyle\; 1\; /\; h\_\; \{c\}\}$, который, как отмечалось ранее, является обратной величиной коэффициента теплопроводности, $hc\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{c\}\}$.

Большинство экспериментально определенных значений теплового контактного сопротивления находятся в диапазоне от 0,000005 до 0,0005 м² К / Вт (соответствующий диапазон теплопроводности контакта составляет от 200 000 до 2000 Вт / м² К). Чтобы узнать, является ли сопротивление теплового контакта значительным или нет, величины теплового сопротивления слоев сравнивают с типичными значениями сопротивления теплового контакта. Сопротивление теплового контакта является значительным и может доминировать для хороших проводников тепла, таких как металлы, но им можно пренебречь для плохих проводников тепла, таких как изоляторы. Тепловая проводимость контакта является важным фактором во множестве применений, в основном потому, что многие физические системы содержат механическую комбинацию двух материалов. Некоторые из областей, где важна контактная проводимость:

• Электроника
  • Электронная упаковка
  • Радиаторы
  • Кронштейны
• Промышленность
  • Ядерный реактор охлаждение
  • Газовая турбина охлаждение
  • Двигатели внутреннего сгорания
  • Теплообменники
  • Теплоизоляция
• Полет
  • Гиперзвуковой полет аппараты
  • Тепловой надзор за космическим аппаратом
• • Характеристики ограждающих конструкций здания

Рис. 2: Увеличенная граница между двумя контактирующими поверхностями. Качество отделки преувеличено для аргументации.

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

Контактное давление

Для переноса тепла между двумя контактирующими телами, такими как частицы в гранулированной среде, контактное давление является фактором наибольшего влияния на общую проводимость контакта. По мере увеличения контактного давления увеличивается истинная площадь контакта и увеличивается контактная проводимость (контактное сопротивление становится меньше).

Поскольку контактное давление является наиболее важным фактором, большинство исследований корреляции и математические модели для измерения контактной проводимости выполнены как функция этого фактора.

Сопротивлением термического контакта некоторых типов материалов типа «сэндвич», которые производятся прокаткой при высоких температурах, иногда можно пренебречь, поскольку уменьшение теплопроводности между ними незначительно.

Промежуточные материалы

По-настоящему гладких поверхностей не существует, а дефекты поверхности видны под микроскопом. В результате, когда два тела прижимаются друг к другу, контакт осуществляется только в конечном числе точек, разделенных относительно большими зазорами, как показано на рис. 2. Поскольку фактическая площадь контакта уменьшается, возникает еще одно сопротивление тепловому потоку. существует. газы / жидкости, заполняющие эти зазоры, могут в значительной степени влиять на общий тепловой поток через границу раздела. Теплопроводность материала внедрения и его давление, исследованные со ссылкой на число Кнудсена, являются двумя свойствами, определяющими его влияние на контактную проводимость и теплоперенос в гетерогенных материалах в целом.

При отсутствии промежуточных материалов, как в вакууме, контактное сопротивление будет намного больше, поскольку поток через точки тесного контакта является преобладающим.

Шероховатость, волнистость и плоскостность поверхности

Поверхность, прошедшую определенные операции чистовой обработки, можно охарактеризовать тремя основными свойствами: шероховатость, волнистость, и фрактальная размерность. Среди них наибольшее значение имеют шероховатость и фрактальность, причем шероховатость часто указывается в виде значения среднеквадратичного значения, $\sigma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\}$, а фрактальность поверхности обычно обозначается D f. Влияние поверхностных структур на теплопроводность на границах раздела аналогично концепции электрического контактного сопротивления, также известного как ECR, включая перенос фононов, ограниченный пятном контакта. а не электроны.

Поверхностные деформации

Когда два тела соприкасаются, поверхностная деформация может возникнуть на обоих телах. Эта деформация может быть пластичной или упругой, в зависимости от свойств материала и контактного давления. Когда поверхность подвергается пластической деформации, контактное сопротивление снижается, так как деформация приводит к увеличению фактической площади контакта

Чистота поверхности

Наличие частиц пыли , кислоты и т. Д. Также могут влиять на проводимость контакта.

Возвращаясь к Формуле 2, расчет теплопроводности контакта может оказаться трудным, даже невозможным из-за сложности измерения площади контакта, $A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$(произведение характеристик поверхности, как объяснялось ранее). Из-за этого контактная проводимость / сопротивление обычно определяется экспериментально с использованием стандартной аппаратуры.

Результаты таких экспериментов обычно публикуются в Инженерной литературе, посвященной журналы, такие как Journal of Heat Transfer, International Journal of Heat and Mass Transfer и т. Д. К сожалению, централизованная база данных контактной проводимости коэффициентов не существует - ситуация, которая иногда заставляет компании использовать устаревшие, нерелевантные данные или вообще не принимать во внимание контактную проводимость.

CoCoE (Оценка контактной проводимости), проект, основанный для решения этой проблемы и создания централизованной базы данных данных контактной проводимости и компьютерной программы, которая ее использует, был начат в 2006 г..

Хотя конечная проводимость теплового контакта обусловлена ​​пустотами на границе раздела, волнистостью поверхности, шероховатостью поверхности и т. Д., Конечная проводимость существует даже на почти идеальных границах раздела. Эта проводимость, известная как теплопроводность на границе, обусловлена ​​различиями в электронных и колебательных свойствах контактирующих материалов. Эта проводимость обычно намного выше, чем проводимость теплового контакта, но становится важной в наноразмерных системах материалов.

• Теплопередача

1. ^Holman, J. P. (1997). Теплопередача, 8-е издание. МакГроу-Хилл.
2. ^Шенгель. Введение в термодинамику и теплопередачу.
3. ^Флетчер Л.С. (ноябрь 1988 г.). «Последние разработки в области передачи тепла с помощью контактной проводимости». Журнал теплопередачи. 110 (4b): 1059–1070. Bibcode : 1988ATJHT.110.1059F. doi : 10.1115 / 1.3250610.
4. ^Madhusudana, C.V.; Линг, Ф. Ф. (1995). Тепловая контактная проводимость. Спрингер.
5. ^Ламберт, М.А.; Флетчер, Л. С. (ноябрь 1997 г.). «Термоконтактная проводимость сферических черновых металлов». Журнал теплопередачи. 119 (4): 684–690. doi : 10.1115 / 1.2824172.
6. ^ Ган, Y; Эрнандес, Ф; и другие. (2014). «Термический анализ дискретных элементов твердого бланкета-размножителя ЕС, подвергнутого нейтронному облучению». Наука и технология термоядерного синтеза. 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199. doi : 10.13182 / FST13-727.
7. ^Williamson, M.; Маджумдар, А. (ноябрь 1992 г.). «Влияние деформаций поверхности на контактную проводимость». Журнал теплопередачи. 114 (4): 802–810. doi : 10.1115 / 1.2911886.
8. ^Отдел теплообмена (ноябрь 1970 г.). «Электропроводность в твердых телах - установившееся состояние, несовершенный контакт металлических поверхностей». General Electric Inc.
9. ^ASTM D 5470-06 Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов

• Project CoCoE - Бесплатное программное обеспечение для оценки TCC