3 辐射
3.1 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
我们在2.1章节中所做的平板温度计算还不是完全正确,因为当时没有考虑辐射散热的影响。按照J.Stefan 和L.Boltzmann定律,平板和环境的换热量为:
其中 为辐射面积, 为表面辐射率( ), 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数( )并且 为以 为单位的温度。Flotherm中对辐射采用了“漫灰”假设,也就是说辐射率与波长和方向无关。
实例:自然对流情况下估计10W热功耗的欧洲标准板子通过辐射方式进入到空气中的热量。
总的热流不是10W,这是因为对辐射的修正也仅仅是一种近似。我们可以看到对于典型电子散热领域的自然对流板子,通过自然对流散失的热量只有散失总热量的一半,其余都通过辐射方式散失。
3.2 辐射率数据
普朗特定律揭示了黑体辐射光谱的变化规律。尽管现实中的物体与黑体总有差异存在,但普朗特定律对于证实最大辐射力波长是一个很好的指导。对于典型的电子器件领域最大辐射力波长大约为8 的红外波。太阳的最大发射率光谱大约在0.4-0.5 (400-500nm)。
左图:对于温度80℃时候的黑体普朗特定律曲线, 右图:真实物体的发射力
真实物体的发射力总是低于普朗特曲线。如果采用缩小比例的普朗特曲线( )去拟合真实物体的发射力,这个 称为表面发射率。单色发射率不随波长变化的物体称为灰体。前述提及的拟合可以分为两个光谱区域,红外区域和可见光区域。
注意:对Flotherm材料库中的抛光铜和铝不要使用表面发射率。工业表面很少抛光,但也很少进行阳极氧化。特别是对于铜而言,其氧化层的厚度往往确定了其发射率。铜上附有8 的氧化层可以将发射率提高到0.8,而且这几乎是线性增加的(也就是说4 时候 )。
表格:罗列了表面特性(来自Flotherm3.2 手册)
Name | Emissivity (Infrared) | Area Factor | Color | Shininess/Brightness |
Aluminum Paint | 3.5e-01 | 1.0 | Light grey | 0.50/0.50 |
Alum. Paint and Lacquer | 5.25e-01 | 1.0 | Light Grey | 0.10/0.50 |
Asbestos | 1.0e-01 | 1.0 | Dark Grey | 0.0/0.0 |
Bright Shellac | 8.2e-01 | 1.0 | Rose madder | 1.0/1.0 |
Cast Machine Cut Iron | 4.4e-01 | 1.0 | Flesh | 0.5/0.5 |
Cast Polished Iron | 2.1e-01 | 1.0 | Flesh | 1.00/0.5 |
Ceramic | 9.0e-01 | 1.0 | Light Grey | 0.0/00 |
Commercial Aluminum | 9.0e-02 | 1.0 | Light Grey | 0.5/0.5 |
Dull Shellac | 9.0e-01 | 1.0 | Rose madder | 0.0/0.0 |
Emeried iron | 2.42e-01 | 1.0 | Vermillion | 0.5/0.5 |
Enamels and Lacquer | 8.0e-01 | 1.0 | Medium Grey | 0.10/0.10 |
Enamels and Lacquer | 8.0e-01 | 1.0 | Medium Grey | 0.10/0.10 |
Ground Bright Iron | 2.42e-01 | 1.0 | Flesh | 1.0/0.5 |
Hard Rubber | 9.5e-01 | 1.0 | Black | 0.5/0.0 |
Infrared Opaque Plastic | 9.5e-01 | 1.0 | Dark Grey | 0.0/0.0 |
Lightly Tarnished Copper | 3.7e-02 | 1.0 | Chrome Green | 0.0/0.50 |
Mild Steel | 2.0e-01 | 1.0 | Lavender | 0.5/0.5 |
Non-Metallic Paint | 9.0e-01 | 1.0 | Purple | 0.2/0.2 |
Oxidized Nickel | 4.1e-01 | 1.0 | Light Grey | 0.0/0.0 |
Oxidized Sheet Steel | 8.0e-01 | 1.0 | violet | 0.0/0.0 |
Polished Brass | 2.8e-02 | 1.0 | Greeny-yellow | 1.0/0.5 |
Polished Copper | 4.0e-02 | 1.0 | Greeny-yellow | 1.0/0.5 |
Polished Gold | 1.0e-02 | 1.0 | Greeny-yellow | 0.94/0.5 |
Polished Nickel | 4.5e-02 | 1.0 | Light Grey | 1.0/1.0 |
Polished Plate Aluminum | 3.8e-02 | 1.0 | Light Grey | 1.0/0.5 |
Polished Plate Platinum | 5.4e-02 | 1.0 | Light Grey | 0.5/0.5 |
Polished Sheet Steel | 8.0e-02 | 1.0 | Violet | 1.0/1.0 |
Polished Silver | 2.2e-02 | 1.0 | Silver Grey | 1.0/1.0 |
Red Lead Primer | 9.3e-01 | 1.0 | Bright red | 0.5/0.5 |
Rough Plate Aluminum | 6.0e-02 | 1.0 | Light Grey | 0.0/0.5 |
Rusted | 6.5e-01 | 1.0 | Bright Red | 0.0/0.0 |
Soft Rubber | 8.6e-01 | 1.0 | Bright Yellow | 0.5/0.0 |
Typical Oil Paint | 9.2e-01 | 1.0 | Dark Grey | 0.0/0.0 |
Unpolished Gold | 4.7e-01 | 1.0 | Bright Yellow | 0.0/0.5 |
3.3 物体辐射
3.3.1 物体和遮挡物体
重要:通过辐射方式散失热量的物体(块、散热器、机箱)必须有一个辐射特性。否则这个物体就无法和环境或其它物体进行辐射换热。如果一个非辐射物体被一个外部辐射物体照射,则这个非辐射物体起到的作用是反射。
Single radiation时遮挡情况的典型例子:考虑优先级
3.3.2 打孔板和阻尼辐射
1. 斜板有对辐射透明的选项。然而对于压缩斜板总是对辐射透明的。
2. 打孔板对于辐射也是透明的。不能采用辐射特性。(因为打孔板只是一个自动计算阻力系数的简化平面元件)
3. 体积阻尼可以选择完全的阻挡辐射或透明。然而阻挡辐射的话不会加热阻尼,而是进行反射。简化的散热器(Compact heat)产生了一个体积阻尼,它对于辐射是透明的,所以不能阻挡辐射。
3.3.3 辐射和绝热面
注意:某些Warning和手册指导可能是错误的。如果在某个方向的上下两个面上是绝热的,在两个面垂直方向辐射热交换还是存在的。似乎感觉这个辐射热交换给限制了。
3.4 耦合热交换
在某些时候三种传热方式会同时发生。我们称之为“耦合热交换”。现在我们对一块处于自然对流的欧洲标准平板进行最大温度的仿真。环境温度为35℃,发射率 ,我们可以得到如下的数据。自然对流和辐射散失的热量几乎相等。
在自然对流考虑辐射、环境温度 的情况下平板的温度曲线。这个例子对于热功耗10W的欧洲标准板子有效。上图中的放大图可以用于计算具体的热流 。
P45-P52
Flotherm资料下载: 使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理.pdf
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