Тепловая проводимость контакта - Thermal contact conductance

В физике , тепловая проводимость является исследованием теплопроводности между твердыми телами в тепловом контакте . Коэффициент теплового контакта проводимости , является свойством , указывающее теплопроводность , или способности проводить тепло , между двумя телами в контакте. Обратное этому свойству называется термическим контактным сопротивлением . ${\ displaystyle h_ {c}}$

Определение

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

Когда два твердых тела соприкасаются, такие как A и B на рисунке 1, тепло перетекает от более горячего тела к более холодному. По опыту, профиль температуры вдоль двух тел примерно различается, как показано на рисунке. На границе между двумя контактирующими поверхностями наблюдается падение температуры. Считается, что это явление является результатом термического контактного сопротивления, существующего между контактирующими поверхностями. Сопротивление теплового контакта определяется как отношение между этим перепадом температуры и средним тепловым потоком через границу раздела.

Согласно закону Фурье тепловой поток между телами находится по соотношению:

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

( 1 )

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

Из соображений сохранения энергии 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 непосредственно связан с теплопроводностью тел в контакте, и , площадь контакта и контактного термического сопротивления, , которые, как отмечалось ранее, является обратным к коэффициенту теплового проводимости, . ${\ displaystyle k_ {A}}$ ${\ displaystyle k_ {B}}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1 / h_ {c}}$ ${\ displaystyle h_ {c}}$

Важность

Большинство экспериментально определенных значений сопротивления теплового контакта находится в диапазоне от 0,000005 до 0,0005 м ² К / Вт (соответствующий диапазон теплопроводности контакта составляет от 200 000 до 2000 Вт / м ² К). Чтобы узнать, является ли тепловое контактное сопротивление значительным или нет, величины тепловых сопротивлений слоев сравнивают с типичными значениями теплового контактного сопротивления. 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. Тепловая проводимость контакта является важным фактором во множестве приложений, в основном потому, что многие физические системы содержат механическую комбинацию двух материалов. Некоторые из областей, в которых важна контактная проводимость:

Электроника
- Электронная упаковка
- Радиаторы
- Скобки
Промышленность
- Охлаждение ядерного реактора
- Охлаждение газовой турбины
- Двигатель внутреннего сгорания
- Теплообменники
- Теплоизоляция
Полет
- Гиперзвуковые летательные аппараты
- Тепловой надзор за космическими аппаратами
Жилищное строительство / Строительная наука
- Производительность ограждающих конструкций

Факторы, влияющие на контактную проводимость

Рис. 2: Увеличенное изображение границы раздела между двумя контактирующими поверхностями. Качество отделки преувеличено ради аргумента.

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, контактное давление является фактором наибольшего влияния на общую проводимость контакта. По мере роста контактного давления увеличивается истинная площадь контакта и увеличивается контактная проводимость (сопротивление контакта уменьшается).

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

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

Межстраничные материалы

На самом деле не существует действительно гладких поверхностей, 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. существуют. Эти газы / жидкость , заполнение этих пробелов могут в значительной степени влиять на общий поток тепла через интерфейс. Теплопроводность материала внедрения и его давление, исследуемые с помощью числа Кнудсена , являются двумя свойствами, определяющими его влияние на контактную проводимость и теплоперенос в гетерогенных материалах в целом.

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

Шероховатость, волнистость и плоскостность поверхности

Поверхность, подвергшуюся определенным чистовым операциям, можно охарактеризовать тремя основными свойствами: шероховатостью, волнистостью и фрактальной размерностью . Среди них наибольшее значение имеют шероховатость и фрактальность, причем шероховатость часто указывается в виде среднеквадратичного значения, а фрактальность поверхности обычно обозначается как D _f . Влияние поверхностных структур на теплопроводность на границах раздела аналогично концепции электрического контактного сопротивления , также известной как ЭЦР , включающей перенос фононов, а не электронов, ограниченный пятном контакта . ${\ displaystyle \ sigma}$

Деформации поверхности

Когда два тела соприкасаются, на обоих телах может произойти деформация поверхности . 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.

Чистота поверхности

Присутствие частиц пыли , кислот и т. Д. Также может повлиять на проводимость контакта.

Измерение теплопроводности контакта

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

Результаты таких экспериментов обычно публикуются в технической 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 вызывает у компаний 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 с данными о контактной проводимости и компьютерной программы, которая ее использует, был начат в 2006 году .

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 , 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.

Смотрите также

Теплопередача

использованная литература

Перейти ↑ Holman, JP (1997). Теплопередача, 8-е издание . Макгроу-Хилл .
^ Engel. Введение в термодинамику и теплопередачу .
Перейти ↑ Fletcher, LS (ноябрь 1988 г.). «Последние разработки в области контактной теплопроводности». Журнал теплопередачи . 110 (4b): 1059–1070. Bibcode : 1988ATJHT.110.1059F . DOI : 10.1115 / 1.3250610 .
^ Мадхусудана, резюме; Линг, Ф. Ф. (1995). Тепловая контактная проводимость . Springer .
^ Ламберт, Массачусетс; Флетчер, LS (ноябрь 1997 г.). «Термоконтактная проводимость сферических необработанных металлов». Журнал теплопередачи . 119 (4): 684–690. DOI : 10.1115 / 1.2824172 .
^ ^а ^б Ган, Y; Эрнандес, Ф; и другие. (2014). "Термический анализ дискретных элементов твердого бланкета для размножения ЕС, подвергнутого нейтронному облучению". Наука и технология термоядерного синтеза . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . DOI : 10.13182 / FST13-727 .
^ Уильямсон, М .; Маджумдар, А. (ноябрь 1992 г.). «Влияние деформаций поверхности на контактную проводимость». Журнал теплопередачи . 114 (4): 802–810. DOI : 10.1115 / 1.2911886 .
^ Подразделение теплопередачи (ноябрь 1970 г.). «Проводимость в твердых телах - установившееся состояние, несовершенный контакт металлических поверхностей». General Electric Inc .
^ ASTM D 5470-06 Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов

внешние ссылки

Проект CoCoE - Бесплатное программное обеспечение для оценки TCC

[1] Перейти ↑ Holman, JP (1997). Теплопередача, 8-е издание . Макгроу-Хилл .

[2] Engel. Введение в термодинамику и теплопередачу .

[3] Перейти ↑ Fletcher, LS (ноябрь 1988 г.). «Последние разработки в области контактной теплопроводности». Журнал теплопередачи . 110 (4b): 1059–1070. Bibcode : 1988ATJHT.110.1059F . DOI : 10.1115 / 1.3250610 .

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

[5] Ламберт, Массачусетс; Флетчер, LS (ноябрь 1997 г.). «Термоконтактная проводимость сферических необработанных металлов». Журнал теплопередачи . 119 (4): 684–690. DOI : 10.1115 / 1.2824172 .

[fusion-6] а ^б Ган, Y; Эрнандес, Ф; и другие. (2014). "Термический анализ дискретных элементов твердого бланкета для размножения ЕС, подвергнутого нейтронному облучению". Наука и технология термоядерного синтеза . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . DOI : 10.13182 / FST13-727 .

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

[8] Подразделение теплопередачи (ноябрь 1970 г.). «Проводимость 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

Languages

In other projects