熱時間常數 vs 比熱:不容忽略的「熱」現實

作者 : John Dunn,EDN專欄作者

請不要忽略根據環境溫度變化的熱時間常數;一般來說,該常數越大表示熱阻性能越好。但測量熱時間常數所需的時間可能出乎你意料之外的長久...

幾年前,我曾經研究過如何估算某種特定物件經歷熱偏移的時間常數(如果已知該特定物件的比熱容量)——請參考「熱時間常數和比熱」(Thermal Time Constant and Specific Heat)一文。不過,我認為有必要為此補充更多說明。

thermal resistance and thermal capacitance of a heat sink mounted to a heat dissipating surface圖1:在散熱表面上安裝散熱片的熱阻和熱容。

請想像如果您剛好有一些特定的物件,例如由某些特定材料與質量(mass)組成的散熱片(heat sink),它可能連接到一些發熱來源,例如耗電的電子元件。

讓我們簡化此假設來看:該散熱片本身在體積部份之間的熱阻(thermal resistance)為零,因此總質量的所有小部份溫度始終相同——換句話說,在整個散熱過程中,散熱片的熱梯度均為零。

以此描述的質量將表現為熱容(thermal capacitance)。現在,先記住這個想法。

該質量也將連接到某種安裝表面,而且二者之間的連接介面將會具有一定的熱阻值。同樣地,也記住這個想法。

散熱片的材料通常選擇鋁。鋁金屬的比熱為每克(g)每攝氏度0.9焦耳(j),或表示為0.9 j/°C/g。如果以克為單位取質量並將其乘以比熱,就可以得到熱容量。

假設每瓦熱阻為0.1°C,鋁的質量為1千克(kg),那麼將會得到以下數值結果:

result of a thermal time constant calculation

圖2:此表顯示熱時間常數計算的數值計算結果,假設熱阻為0.1°C/Watt,鋁的質量為1kg。

如果我們將熱阻加倍,將會得到兩倍的熱時間常數:

result of a thermal time constant calculation

圖3:如果熱阻改為每瓦0.2°C (是原先計算的兩倍),則熱時間常數也將增加一倍。

在我之前寫的那篇文章中,一個未能著墨的議題是,如果您在測量某個散熱片的溫度升高狀況時,很可能會漫不經心地說:「喔,已經過一分鐘左右了,情況看起來還不錯耶,」那麼您最後很可能由於過早停止觀察而忽略掉一次關鍵的溫度上升。

因此,請不要忽略根據環境溫度變化的熱時間常數;一般來說,該常數越大表示熱阻性能越好。測量熱時間常數所需的時間可能出乎你意料之外的長久。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Thermal time constant versus specific heat,by John Dunn)

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