Тепловая проводимость контакта - Thermal contact conductance

В физика, проводимость теплового контакта это изучение теплопроводность между твердый тела в тепловой контакт. В коэффициент теплопроводности контакта, ${displaystyle h_{c}}$, это свойство, указывающее теплопроводность, или способность проводить высокая температура между двумя контактирующими телами. Обратное к этому свойству называется тепловое контактное сопротивление.

Определение

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

Когда два твердых тела соприкасаются, например, A и B на рисунке 1, тепло перетекает от более горячего тела к более холодному. По опыту температура профиль вдоль двух тел примерно различается, как показано на рисунке. На границе между двумя контактирующими поверхностями наблюдается падение температуры. Этот феномен считается результатом тепловое контактное сопротивление существующие между контактирующими поверхностями. Термоконтактное сопротивление определяется как отношение между этим перепадом температуры и средним тепловым потоком через поверхность раздела.^[1]

В соответствии с Закон Фурье, тепловой поток между телами находится по соотношению:

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

(1)

куда ${displaystyle q}$ тепловой поток, ${displaystyle k}$ - теплопроводность, ${displaystyle A}$ площадь поперечного сечения и ${displaystyle dT/dx}$ - температурный градиент в направлении потока.

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

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

(2)

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

Важность

Большинство экспериментально определенных значений сопротивления теплового контакта находится в диапазоне от 0,000005 до 0,0005 м² K / Вт (соответствующий диапазон теплопроводности теплового контакта составляет от 200 000 до 2000 Вт / м² K). 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 преобладать для хороших проводников тепла, таких как металлы, но им можно пренебречь для плохих проводников тепла, таких как изоляторы.^[2]Тепловая проводимость контакта является важным фактором во множестве приложений, в основном потому, что многие физические системы содержат механический сочетание двух материалов. Некоторые из областей, где важна контактная проводимость:^[3][4][5]

• Электроника
  • Электронная упаковка
  • Радиаторы
  • Скобки
• Промышленность
  • Ядерный реактор охлаждение
  • Газовая турбина охлаждение
  • Двигатель внутреннего сгорания
  • Теплообменники
  • Теплоизоляция
• Полет
  • Гиперзвуковой полет автомобили
  • Тепловой надзор за Космос автомобили
• Жилищное строительство / Строительная наука
  • Производительность ограждающих конструкций

Факторы, влияющие на контактную проводимость

Рис. 2: Увеличенное изображение границы раздела двух контактирующих поверхностей. Качество отделки преувеличено ради аргументации.

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

Контактное давление

Для переноса тепла между двумя контактирующими телами, такими как частицы в гранулированной среде, контакт давление является фактором наибольшего влияния на общую проводимость контакта. По мере увеличения контактного давления увеличивается истинная площадь контакта и увеличивается контактная проводимость (сопротивление контакта уменьшается).^[6]

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

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

Межстраничные материалы

Основная статья: интерстициальный дефект

По-настоящему гладких поверхностей не существует, а дефекты поверхности видны под микроскоп. 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. существуют. В газы /жидкости заполнение этих зазоров может в значительной степени повлиять на общий тепловой поток через поверхность раздела. Теплопроводность промежуточного материала 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.^[6]

При отсутствии промежуточных материалов, как в вакуум, контактное сопротивление будет намного больше, так как поток через интимные точки контакта является преобладающим.

Шероховатость, волнистость и плоскостность поверхности

Можно охарактеризовать поверхность, подвергшуюся определенному отделка операции по трем основным свойствам: шероховатость, волнистость,и фрактальная размерность. Среди них наибольшее значение имеют шероховатость и фрактальность, причем шероховатость часто указывается в виде среднеквадратичное значение ценить, ${displaystyle sigma }$ и поверхностная фрактальность, обычно обозначаемая как D_ж. Влияние поверхностных структур на теплопроводность на границах раздела аналогично концепции сопротивление электрического контакта, также известный как ECR, включая пятно контакта, ограниченную транспортировку фононы а не электроны.

Деформации поверхности

Когда два тела соприкасаются, поверхность деформация может возникнуть на обоих телах. Эта деформация может быть пластик или же эластичный в зависимости от свойств материала и контактного давления. Когда поверхность подвергается пластической деформации, сопротивление контакта снижается, поскольку деформация приводит к увеличению фактической площади контакта.^[7][8]

Чистота поверхности

Наличие пыль частицы, кислоты и т. д. также могут влиять на проводимость контакта.

Измерение теплопроводности контакта

Возвращаясь к Формуле 2, расчет теплопроводности контакта может оказаться трудным, даже невозможным из-за сложности измерения площади контакта, ${displaystyle A}$ (Продукт характеристик поверхности, как объяснялось ранее). Из-за этого контактная проводимость / сопротивление обычно определяется экспериментально с использованием стандартной аппаратуры.^[9]

Результаты таких экспериментов обычно публикуются в Инженерное дело литература, на журналы Такие как Журнал теплопередачи, Международный журнал тепломассообмена и т. д. К сожалению, централизованный база данных коэффициентов контактной проводимости не существует, ситуация, которая иногда заставляет компании использовать устаревшие, нерелевантные данные или вообще не принимать во внимание контактную проводимость.

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

Тепловая граничная проводимость

В то время как 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 тепловая граничная проводимость, происходит из-за различий в электронных и колебательных свойствах контактирующих материалов. Эта проводимость обычно намного выше, чем проводимость теплового контакта, но становится важной в наноразмерных системах материалов.

Смотрите также

• Теплопередача

Рекомендации

1. Холман, Дж. П. (1997). Теплопередача, 8-е издание. Макгроу-Хилл.
2. Engel. 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. Дои:10.1115/1.3250610.
4. Мадхусудана, К. В .; Линг, Ф. Ф. (1995). Тепловая контактная проводимость. Springer.
5. Lambert, M.A .; Флетчер, Л. С. (ноябрь 1997 г.). «Термоконтактная проводимость сферических грубых металлов». Журнал теплопередачи. 119 (4): 684–690. Дои:10.1115/1.2824172.
6. Ган, Й; Эрнандес, Ф; и другие. (2014). «Термический анализ дискретных элементов твердого бланкета-размножителя ЕС, подвергнутого нейтронному облучению». Наука и технологии термоядерного синтеза. 66 (1): 83–90. arXiv:1406.4199. Дои:10.13182 / FST13-727.
7. Уильямсон, М .; Маджумдар, А. (ноябрь 1992 г.). «Влияние деформаций поверхности на контактную проводимость». Журнал теплопередачи. 114 (4): 802–810. Дои: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

внешняя ссылка

• Проект CoCoE - Бесплатное программное обеспечение для оценки TCC