一、熱阻基本概念與核心公式
熱阻是反映材料或系統對熱流傳導阻礙程度的物理量,衡量單位熱流密度下的溫度差。其計算公式為:
R = ΔT / P
其中,R 表示熱阻,單位為℃/W 或 K/W;ΔT 為溫度差,單位是℃;P 代表功率,單位是瓦特(W)。此公式揭示了在特定熱源功率下,物體兩端溫度差與熱阻的正比關系,是評估物體導熱性能的關鍵指標,熱阻越大,導熱性能越差,反之則導熱性能越佳。
在電子設備散熱設計領域,熱阻概念至關重要。例如,芯片的結到殼熱阻(Rjc)、殼到散熱器熱阻(Rcs)、散熱器自身熱阻(Rsa)等,均是決定電子設備散熱效能的核心要素。
二、并聯熱阻計算
對于并聯熱阻的情況,總熱阻 Rt 的計算公式為:
1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
其中,R1、R2、...、Rn 分別為各個并聯元件的熱阻。


三、熱阻計算公式分類
(一)全熱阻公式
全熱阻公式適用于計算方形封閉空間中各組件的組合熱阻,如墻壁、窗戶、地板、天花板和門等。計算公式為:
Rtotal = (R1×A1 + R2×A2 + … + Rn×An)/(A1 + A2 + … + An)
其中,Rtotal 表示總熱阻;Ri 為組件熱阻;Ai 為組件面積。
(二)表面熱阻公式
表面熱阻公式用于計算材料表面間的熱阻。其計算公式為:
Rsurface = 1/(h1×A1 + h2×A2 + … + hn×An)
其中,Rsurface 表示表面熱阻;h 為材料傳熱系數;Ai 為表面積。
(三)單位面熱阻公式
單位面熱阻公式用于計算單位面積材料表面間的熱阻。其計算公式為:
Rlu = 1/(h1×A1) + 1/(h2×A2) + … + 1/(hn×An)
其中,Rlu 表示單位面熱阻;h 為材料傳熱系數;Ai 為表面積。
四、熱阻分類與應用場景
(一)導熱熱阻
當熱量通過物體內部以熱傳導方式傳遞時,所遇到的阻力稱為導熱熱阻。對于截面積不變的平板,導熱熱阻計算公式為:
R = L/(k×A)
其中,L 為平板厚度,A 為平板垂直于熱流方向的截面積,k 為平板材料的熱導率。
(二)對流換熱熱阻
在對流換熱過程中,固體壁面與流體之間的熱阻稱為對流換熱熱阻。其計算公式為:
R = 1/(h×A)
其中,h 為對流換熱系數,A 為換熱面積。
(三)輻射熱阻
兩個溫度不同的物體相互輻射換熱時的熱阻稱為輻射熱阻。若兩個物體均為黑體,且忽略兩物體間氣體對熱量的吸收,則輻射熱阻計算公式為:
R = 1/(A1×F1-2) 或 R = 1/(A2×F2-1)
其中,A1 和 A2 為兩個物體相互輻射的表面積,F1-2 和 F2-1 為輻射角系數。
(四)接觸熱阻
熱量流過兩個相接觸的固體交界面時,界面本身對熱流呈現的明顯熱阻稱為接觸熱阻。產生接觸熱阻的主要原因是,即使看似接觸良好的兩物體,實際接觸面積也僅為交界面的一部分,其余部分為縫隙。熱量依靠縫隙內氣體的熱傳導和熱輻射進行傳遞,其傳熱能力遠低于一般固體材料。接觸熱阻會導致熱流流過交界面時,沿熱流方向溫度 T 突然下降,這是工程應用中需要盡量避免的現象。
五、其他熱阻相關概念
(一)熱阻率
熱阻率是指單位傳熱截面面積上的熱阻,單位包含 m²。而沒有 m² 單位的熱阻則是整個物體的熱阻,例如一片墻的熱阻。
(二)空間熱阻
空間熱阻,即輻射空間熱阻,簡稱為空間熱阻,計算公式為 1/(X×i,2×A)。
(三)表面熱阻
表面熱阻是指 1-/A1 之間的輻射表面熱阻。
(四)傳熱系數
傳熱系數用于表征墻體(含所有構造層次)在穩定傳熱條件下,當其兩側空氣溫差為 1K(1℃)時,單位時間內通過單位平方米墻體面積傳遞的熱量,單位為 W/(M²·K)。
六、傳熱系數計算方法
(一)圍護結構傳熱系數 K 值
圍護結構傳熱系數 K 值的計算公式為:
K = 1/(1/h1 + δ/λ + 1/h2) W/(㎡·°C)
(二)圍護結構導熱熱阻
單層結構熱阻:
R = δ/λ (m·K/W)
多層結構熱阻:
R = R1 + R2 + ... + Rn = δ1/λ1 + δ2/λ2 + ... + δn/λn
(三)圍護結構劈面對流換熱熱阻
內表面換熱阻:
Ri = 1/h1
外表面換熱阻:
Re = 1/h2
(四)圍護結構的傳熱熱阻
R0 = Ri + R + Re
(五)圍護結構傳熱系數
K = 1/R0 (W/(m·K))
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