張德根，楊　歡，胡訓(xùn)美，趙敏福

(皖西學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 六安 237012)

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散熱盤冷卻速率測(cè)量方法的改進(jìn)

張德根，楊歡，胡訓(xùn)美，趙敏福

(皖西學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 六安 237012)

摘要：針對(duì)軸流式風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)散熱盤的上下面散熱不均問題，提出了幾種改進(jìn)方式，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在散熱盤上方再增加風(fēng)扇或者覆蓋保溫泡沫的方式能夠減小實(shí)驗(yàn)誤差.

關(guān)鍵詞：冷卻速率；散熱盤；溫度

穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)[1]是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量原理主要依據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)方程，其中測(cè)量散熱盤冷卻速率是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵. 通常有2種冷卻方式測(cè)量散熱盤的冷卻速率：第一種是考慮散熱盤冷卻速率與散熱面積成正比[2]，計(jì)算冷卻速率應(yīng)作面積修正；第二種是冷卻過程中在散熱盤上表面覆蓋待測(cè)樣品盤進(jìn)行測(cè)量.

目前已有許多文獻(xiàn)[3-9]對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，然而散熱盤冷卻速率的測(cè)量仍然存在一定問題. 對(duì)于第一種測(cè)量方法，測(cè)量散熱盤的冷卻速率時(shí)風(fēng)扇始終打開，此時(shí)散熱盤的上下面所受風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流的環(huán)境不同，其中上表面并未受到風(fēng)扇的直接吹拂，因此散熱盤表面散熱不均勻，冷卻速率作面積修正有所欠缺. 對(duì)于第二種測(cè)量方法，散熱盤的上表面覆蓋樣品盤是否得到有效的隔熱也值得探討. 有鑒于此，本文提出了測(cè)量散熱盤冷卻速率的2種改進(jìn)方法.

1第一種測(cè)量方法的改進(jìn)

1.1實(shí)驗(yàn)過程

在穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，打開風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣對(duì)流，可以減小樣品側(cè)面與底面的放熱比，增加樣品內(nèi)部的溫度梯度，促使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，減小實(shí)驗(yàn)誤差，故實(shí)驗(yàn)過程中導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀下面風(fēng)扇始終打開. 經(jīng)測(cè)得系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)加熱盤和散熱盤的溫度分別是：T1=70.1 ℃，T2=42.0 ℃. 散熱盤在自然冷卻過程中，如果在其上下面均設(shè)置相同的風(fēng)扇，以使其上下表面的散熱環(huán)境相同，以此可以減小實(shí)驗(yàn)誤差. 現(xiàn)在分別用3種散熱方式測(cè)量散熱盤的冷卻速率：散熱盤下面開風(fēng)扇、散熱盤上面開風(fēng)扇、散熱盤上下面均開風(fēng)扇. 3種散熱方式如圖1所示.

(a)下面打開風(fēng)扇散熱

(b)上面打開風(fēng)扇散熱

(c)上下都打開風(fēng)扇散熱圖1　3種散熱方式

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在測(cè)量散熱盤的冷卻曲線時(shí)，先將其加熱使溫度升高20 ℃左右，實(shí)驗(yàn)室溫度保持不變(19.5 ℃)待散熱盤溫度降至62.0 ℃時(shí)，開始計(jì)時(shí)，每隔10 s記錄1次散熱盤的溫度，待散熱盤溫度下降至30.0 ℃左右停止測(cè)量. 根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，作散熱盤的T-t冷卻曲線，如圖2所示，計(jì)算3種散熱方式下散熱盤溫度降至穩(wěn)態(tài)值(42.0 ℃)的冷卻速率分別為：

通過計(jì)算可知：散熱盤上下均置風(fēng)扇進(jìn)行散熱時(shí)，其冷卻速率要比單一風(fēng)扇散熱時(shí)增加10%左右，而散熱盤上下各單獨(dú)打開風(fēng)扇測(cè)得的冷卻速率基本相同. 同時(shí)由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，散熱盤經(jīng)過500 s的冷卻，其中上下均置風(fēng)扇時(shí)散熱盤的溫度下降最多，要比單獨(dú)打開1臺(tái)風(fēng)扇散熱時(shí)低5 ℃左右. 通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知：僅在散熱盤下面打開風(fēng)扇，其上表面與下表面的散熱環(huán)境不同，采用面積上的修正會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)最終的計(jì)算結(jié)果偏小. 因此可采用第3種方式(散熱盤上下面均開風(fēng)扇)，使散熱盤上下表面的空氣對(duì)流環(huán)境基本相同，從而可以減小實(shí)驗(yàn)誤差.

圖2　散熱盤的冷卻曲線

2第2種測(cè)量方法的改進(jìn)

2.1實(shí)驗(yàn)過程

常用的第2種方法是散熱盤冷卻過程中在其上面覆蓋樣品盤(橡膠盤)，為了驗(yàn)證樣品盤的保溫效果，現(xiàn)在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn). 分別用3種散熱方式測(cè)量散熱盤的冷卻速率：覆蓋泡沫墊、不加覆蓋物、覆蓋樣品盤. 3種散熱方式如圖3所示.

(a)開風(fēng)扇加泡沫墊

(b)只開風(fēng)扇

(c)開風(fēng)扇加樣品盤圖3　3種散熱方式

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

保持實(shí)驗(yàn)室溫度不變(20.0 ℃)，實(shí)驗(yàn)前將散熱盤升高20 ℃左右，待散熱盤溫度降至62.0 ℃時(shí)，開始計(jì)時(shí),每隔10 s記錄1次散熱盤的溫度，散熱盤的冷卻曲線如圖4所示. 根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出3種散熱方式下溫度降至穩(wěn)態(tài)值(42.0 ℃)的冷卻速率分別為：

圖4　散熱盤的冷卻曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：覆蓋泡沫墊的散熱盤的冷卻速率最小，說明泡沫墊對(duì)散熱盤上表面有保溫隔熱作用，而放置樣品盤不僅沒有減小散熱盤的冷卻速率，反而加快了散熱速度. 這是因?yàn)閷悠繁P放在散熱盤上方時(shí)，雖散熱盤上表面無空氣對(duì)流，但此時(shí)散熱盤會(huì)向樣品盤傳熱，且散熱速率比直接暴露在空氣中的散熱速率要大，同時(shí)也比覆蓋泡沫墊的散熱速率大. 其中選用的泡沫墊材料為發(fā)泡聚苯乙烯，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.042 W/(m·K)，比熱容為1.38 J/(kg·K). 由于泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容要比橡膠小很多，代替樣品盤作為覆蓋物，可有效減小散熱盤上表面對(duì)外的散熱.

3結(jié)束語

通過對(duì)散熱盤的幾種散熱方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，提出了2種簡(jiǎn)易的改進(jìn)方式. 對(duì)于第1種方式，散熱盤上下都加散熱風(fēng)扇，測(cè)出散熱盤的冷卻速率為0.042 ℃/s，根據(jù)散熱盤的幾何尺寸，可計(jì)算出其面積修正系數(shù)為0.554，從而修正后的冷卻速率為0.023 ℃/s，這與第2種改進(jìn)方法測(cè)得的結(jié)果0.027 ℃/s相接近. 對(duì)于第2種改進(jìn)方法中覆蓋泡沫墊，能對(duì)散熱盤上表面起有效的隔熱效果，但無法做到完全隔熱，散熱盤上表面仍會(huì)對(duì)它進(jìn)行傳熱，所以冷卻速率測(cè)量結(jié)果要比第1種方法略偏大. 為了檢驗(yàn)2種改進(jìn)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別對(duì)上述2種改進(jìn)方法進(jìn)行多次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本相同，表明2種改進(jìn)的測(cè)量方法有較好的重復(fù)性，從而盡可能地減小了穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)誤差.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improved method for measuring the cooling rate of radiator plate

ZHANG De-gen， YANG Huan, HU Xun-mei, ZHAO Min-fu

(Center of Basic Experiment， West Anhui University， Lu’an 237012， China)

Abstract:Aiming at the uneven heat dissipation of the radiator plate’s upper and lower surfaces under forced convection by axial flow fan, a lot of improved methods were present. By comparing the experimental results, adding another fan or coating the top of the cooling plate with insulation foam could reduce the experimental error.

Key words:cooling rate； radiator plate； temperature

中圖分類號(hào)：O4-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)04-0020-03

作者簡(jiǎn)介：張德根(1984-)，男，安徽六安人，皖西學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作．

收稿日期：2015-11-19

資助項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No.KJ2016A749);安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No.KJ2013A260)