[科普中国]-热阻系数

基本理解

导热系数反映的是物质在单位体积下的导热能力。实际上它反映了物质导热的固有能力。这种能力是由物质的原子或分子结构决定的。它是评价物质之间导热能力的参数。

热阻系数其实是导热系数与物体的几何形状相结合而体现的该形状物体的导热能力。对非均匀厚度的物体，均匀热流密度的热流通过物体后，两端任意两点的温度差可能是不同的，也就是说，任意两点间的热阻可能是不同的。

谈热阻系数，必须要明确这一点：热阻系数必须是指定的两个点之间的热阻系数，并且两点之间没有其它的热源。它反映的是特定两点间的导热能力。就是说，给定了热阻值，同时必须明确给出计量的起点和终点。偏离了这两个位置点，这个热阻值就没有意义了。

纯就每种物质而言，谈热阻系数是没有太大意义的。因为几何形状不同，热阻就不同了。只有确定了几何形状，才可以利用热阻系数的概念做导热能力的比较。

同一种材料，截面积相同、长度不同的柱体，它们的导热系数是相同的，而它们两对面的热阻系数是不同的。

同一种材料，设计成不同的形状，则不同几何结构之间，它们的两个对面的热阻可能不同。某些不同形状的物体，热源端某点到对面某点和到侧面某点的热阻可能相同。

在设计产品的散热器结构时，我们可能采用两种方案：只用散热器自然散热和散热器加风扇散热。在采用风扇散热时，可以选取一个较小的散热器，其与风扇组合的散热效果可能远优于只采用一个较大的散热器的效果。虽然小散热器的热阻系数大于大散热器的热阻系数，但在两个系统中，我们也不能单以两个散热器的热阻系数大小来说好坏。

基本分类热阻系数是反映阻止热量传递的能力的综合参量。在传热学的工程应用中，为了满足生产工艺的要求，有时通过减小热阻系数以加强传热；而有时则通过增大热阻系数以抑制热量的传递。

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为L/(k A)。其中，L为平板的厚度，A为平板垂直于热流方向的截面积，K为平板材料的热导率。

在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻称为对流换热热阻，1/（hA）。其中，h为对流换热系数，A为换热面积。

两个温度不同的物体相互辐射换热时的热阻称为辐射热阻。如果两个物体都是黑体（见黑体和灰体），且忽略两物体间的气体对热量的吸收，则辐射热阻为1/(A1 F 1-2)或1/(A2 F 2-1)。其中A1和A 2为两个物体相互辐射的表面积，F1-2和F 2-1为辐射角系数。

当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙。热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。接触热阻使热流流过交界面时，沿热流方向温度 T发生突然下降，这是工程应用中需要尽量避免的现象。减小接触热阻的措施是：①增加两物体接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形，从而减小缝隙增大接触面。②在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体──导热脂。1

形状影响研究为了研究材料的几何形状对热阻系数的影响，贵州工业大学热能工程系教授黄晓齐选取了平壁矩形直肋、平壁三角形直肋和圆筒壁矩形剖面环肋等三种装置进行研究234，并分别提供了工程计算用的各种装置的热阻系数曲线图，从图上可清楚地看出肋厚、肋高和肋间距对肋装置传热性能的影响，有助于最佳尺寸的确定,简化传热计算。

应用举例电缆直埋敷设是指电缆敷设入地下壕沟中沿沟底铺有垫层和电缆上铺有覆盖层、且加设保护板再埋齐地坪的敷设方式。土壤热阻系指土壤与电缆表面界面的热阻系数，它和界面大小、土壤性质、土壤密度、含水量及电缆表面温度等因素有关。当电缆直埋地或穿管埋地时，除土壤温度外，土壤热阻系数是另一影响载流量的主要因素。文献5针对电缆直埋敷设时土壤热阻系数的选取，结合实际工程设计中如何进行低压电力电缆截面的选择，探讨土壤热阻系数的选取对于低压电缆持续允许载流量的影响。

相关专利实用新型专利6涉及一种便携式土壤热阻测量装置，该装置由测量探头、控制与计算模块、电源模块、显示与处理终端组成，可进行直埋电缆线路处土壤的温度监测与导热系数测量，并根据所测媒质的热阻特性的变化，自动优化加热功率，从而获得最佳测量结果，测量探头可以采用基于热线法的探针式探头，也可以采用基于平板法的平板状探头，探头内包含有三个热电偶温度测量点和一个加热电阻丝。该装置不仅可以实现对土壤温度的长期监测，还可以对土壤导热系数进行实地实时的测量。各结构单元模块化，携带与使用方便，能够根据不同的现场情况采用不同的测量方式，测量范围广，对土壤热阻系数测量范围为0.3～4.5K·m/W，对直埋电缆线路的设计与管理具有重要的意义。