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热的三种传播方式,热传导、对流和辐射。热传导是固固之间,对流是液体和气体,辐射是以电磁波的方式传播,不依赖固体和流体。 固体的方程式比较简单,有些可以直接手算结果,难点在如何提高固体的导热系数,还有如何处理固体和固体之间的导热。常用的固体材料中铜的导热系数是比较高的,但是密度比较大;铝是导热系数和密度比比较适中的材料;石墨烯的XY向高,Z向低;金刚石和SIC导热系数高,但是价格贵,不能做太大。固固之间的导热最有效的是金属焊接,难点是需要处理异种材料之间的焊接问题,比如说芯片的封装;其次是导热垫和导热脂,也涉及到导电、延展性和寿命的问题。最后的结论各项性能都好,又便宜的完美固体材料是不存在的。 对流涉及到流体力学,计算比较复杂,好在普通的热控中使用经验公式就好。比如自然对流的放热系数取5-10W/m2/K,强制对流20-30W/m2/K,自然对流翅片间距8-10mm,强制3-5mm;液冷放热系数简简单单100W/m2/K以上,轻松解决日常散热中的多数问题,就是相对来说设备重和贵。风冷因为散热能力有限,需要详细的计算,难点就是内外隔绝的导冷结构和空气稀薄的高空应用场景。 辐射散热在地面100℃以下可以作为余量储备,不做计算;在外太空±90℃的环境中必须要考虑。外太空虽然温差大,但是因为是真空环境,不存在流体,用几层镀金属的带孔塑料膜就能隔绝大部分内外热量。 最后说下沸腾和凝结放热,就是俗称烧开水,当时学的时候不明白为什么烧开水的过程要单独一章讲,后来做实际项目后才明白固体内部加液体的热管或者均温板可以将固体的整体导热系数提升到1000W/m/K(铜的是400W/m/K),吊打各种固体材料,但是这种组合涉及到固体和液体的相容性产生的腐蚀问题、烧干问题、启动功率问题、加速度问题,也是有各种限制。这个也是空调的原理,物质相变过程中大量吸收和放出的热量远高于其比热容。现在最火的人工智能算力热控用的方法是两相流法。就是冷却液只有一定比例的气化,而不是像空调那样完全气化,这样后期不用压缩机,省电,但是需要结合微流道散热,整体设备成本高,控制也是难点。 最后推荐大家一本日本人编写的教材《图解传热学》对非专业入门非常友好,浅显易懂。
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