Flotherm XT学习之旅

大家好，通过半年的热仿真软件学习使用，最终发现最好用，最好上手的软件就是Flotherm XT，对新手非常友好，但由于软件近几年才发布，网上教程非常少，后面我将在这里持续分析软件使用心得，和大家一起学习。

今天分享的第一个点就是热学前菜，基本知识点：

热学三定理：

热量的传递有导热，对流换热及辐射换热三种方式。在终端设备散热过程中，这三种方式都有发生。三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算：

傅里叶导热公式：Q=λA(Th -Tc )/δ

牛顿对流换热公式：Q=αA(Tw -Tair )

辐射4次方定律：Q=5.67e-8*εA(Th^4-Tc^4)

其中λ、α 、ε分别为导热系数，对流换热系数及表面的发射率，A是换热面积，δ为材料厚度。

导热：

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量称为导热。例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是导热现象。芯片向壳体外部传递热量主要就是通过导热。

导热过程中传递的热量按照傅里叶导热定律计算：

Q=λA(Th-Tc)/δ

其中：

• A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m^2;
• Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度；
• δ为两个面之间的距离，单位为m；
• λ为材料的导热系数，单位为W/(m*℃），表示了该材料导热能力的大小。

一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m*℃），纯铝的导热系数为236W/(m*℃），水的导热系数为0.6W/(m*℃），而空气仅0.025W/(m*℃）左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

对流换热

对流换热是指运动着的流体流经与之不同温度的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程，这是通信设备散热中中应用最广的一种换热方式。根据流动的起因不同，对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。

前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。 机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。在终端产品中主要是自然对流换热。

自然对流散热分为大空间自然对流（例如终端外壳和外界空气间的换热）和有限空间自然对流（例如终端内的单板和终端内的空气）。值得注意的是，当终端外壳与单板的距离小于一定值时，就无法形成自然对流，例如手机的单板与外壳之间就只是以空气为介质的热传导。

对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：      

Q=hA(Tw -Tf )

其中：

• A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2 ;
• Tw 与Tf 分别为固体壁面与流体的温度，
• h是对流换热系数，自然对流时换热系数在1～10W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过3～5W/(℃*m2)；强制对流时换热系数在10～100W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2）。

电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值如右表所示：

热辐射

辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零 度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体 的辐射力计算公式为：

E ＝5.67e^-8 *ε * T^4

物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且 正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：

Q ＝A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th 4-Tc 4 )

公式中：

• T指的是物体的绝对温度值＝摄氏温度值＋273.15；
• ε是表面的黑度或发 射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色 无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度 达到0.8，雪的黑度为0.8。
• 由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相 同温差条件下会散去更多的热量。
• 塑料外壳表面喷漆，PWB表面会涂敷绿油，表面黑度都可以达到 0.8，这些都有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些表面处理 来提高黑度，强化散热。 对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散 热器表面黑色处理也助长了这种认识。实际上物体温度低于1800℃时， 有意义的热辐射波长位于0.38~100μ m之间，且大部分能量位于红外波 段0.76~20μ m范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。颜色 只与可见光吸收相关，与红外辐射无关，夏天人们穿浅色的衣服降低太 阳光中的可见光辐射吸收。因此终端内部可以随意涂敷各种颜色的漆。

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