散熱盤冷卻速率測量方法的改進

張德根，楊　歡，胡訓美，趙敏福

(皖西學院 基礎實驗中心，安徽 六安 237012)

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散熱盤冷卻速率測量方法的改進

張德根，楊歡，胡訓美，趙敏福

(皖西學院 基礎實驗中心，安徽 六安 237012)

摘要：針對軸流式風扇強迫對流時散熱盤的上下面散熱不均問題，提出了幾種改進方式，通過對比發現：在散熱盤上方再增加風扇或者覆蓋保溫泡沫的方式能夠減小實驗誤差.

關鍵詞：冷卻速率；散熱盤；溫度

穩態法測量不良導體的導熱系數[1]是大學物理實驗中經典的熱學實驗，測量原理主要依據傅里葉熱傳導方程，其中測量散熱盤冷卻速率是實驗的關鍵. 通常有2種冷卻方式測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]，計算冷卻速率應作面積修正；第二種是冷卻過程中在散熱盤上表面覆蓋待測樣品盤進行測量.

目前已有許多文獻[3-9]對于上述實驗方法進行分析，然而散熱盤冷卻速率的測量仍然存在一定問題. 對于第一種測量方法，測量散熱盤的冷卻速率時風扇始終打開，此時散熱盤的上下面所受風扇強迫對流的環境不同，其中上表面并未受到風扇的直接吹拂，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. 對于第二種測量方法，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，本文提出了測量散熱盤冷卻速率的2種改進方法.

1第一種測量方法的改進

1.1實驗過程

在穩態法測量不良導體的導熱系數時，打開風扇強迫空氣對流，可以減小樣品側面與底面的放熱比，增加樣品內部的溫度梯度，促使系統達到穩態，減小實驗誤差，故實驗過程中導熱系數測定儀下面風扇始終打開. 經測得系統達到穩態時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置相同的風扇，以使其上下表面的散熱環境相同，以此可以減小實驗誤差. 現在分別用3種散熱方式測量散熱盤的冷卻速率：散熱盤下面開風扇、散熱盤上面開風扇、散熱盤上下面均開風扇. 3種散熱方式如圖1所示.

(a)下面打開風扇散熱

(b)上面打開風扇散熱

(c)上下都打開風扇散熱圖1　3種散熱方式

1.2實驗結果與分析

在測量散熱盤的冷卻曲線時，先將其加熱使溫度升高20 ℃左右，實驗室溫度保持不變(19.5 ℃)待散熱盤溫度降至62.0 ℃時，開始計時，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 ℃左右停止測量. 根據測量的數據，作散熱盤的T-t冷卻曲線，如圖2所示，計算3種散熱方式下散熱盤溫度降至穩態值(42.0 ℃)的冷卻速率分別為：

通過計算可知：散熱盤上下均置風扇進行散熱時，其冷卻速率要比單一風扇散熱時增加10%左右，而散熱盤上下各單獨打開風扇測得的冷卻速率基本相同. 同時由測量數據可知，散熱盤經過500 s的冷卻，其中上下均置風扇時散熱盤的溫度下降最多，要比單獨打開1臺風扇散熱時低5 ℃左右. 通過對比實驗可知：僅在散熱盤下面打開風扇，其上表面與下表面的散熱環境不同，采用面積上的修正會使導熱系數最終的計算結果偏小. 因此可采用第3種方式(散熱盤上下面均開風扇)，使散熱盤上下表面的空氣對流環境基本相同，從而可以減小實驗誤差.

圖2　散熱盤的冷卻曲線

2第2種測量方法的改進

2.1實驗過程

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)，為了驗證樣品盤的保溫效果，現在進行對比實驗. 分別用3種散熱方式測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)開風扇加泡沫墊

(b)只開風扇

(c)開風扇加樣品盤圖3　3種散熱方式

2.2實驗結果與分析

保持實驗室溫度不變(20.0 ℃)，實驗前將散熱盤升高20 ℃左右，待散熱盤溫度降至62.0 ℃時，開始計時,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. 根據測量的數據，分別計算出3種散熱方式下溫度降至穩態值(42.0 ℃)的冷卻速率分別為：

圖4　散熱盤的冷卻曲線

實驗結果顯示：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. 這是因為將樣品盤放在散熱盤上方時，雖散熱盤上表面無空氣對流，但此時散熱盤會向樣品盤傳熱，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泡聚苯乙烯，其導熱系數為0.042 W/(m·K)，比熱容為1.38 J/(kg·K). 由于泡沫的導熱系數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外的散熱.

3結束語

通過對散熱盤的幾種散熱方式進行對比實驗，提出了2種簡易的改進方式. 對于第1種方式，散熱盤上下都加散熱風扇，測出散熱盤的冷卻速率為0.042 ℃/s，根據散熱盤的幾何尺寸，可計算出其面積修正系數為0.554，從而修正后的冷卻速率為0.023 ℃/s，這與第2種改進方法測得的結果0.027 ℃/s相接近. 對于第2種改進方法中覆蓋泡沫墊，能對散熱盤上表面起有效的隔熱效果，但無法做到完全隔熱，散熱盤上表面仍會對它進行傳熱，所以冷卻速率測量結果要比第1種方法略偏大. 為了檢驗2種改進方法實驗結果的可重復性，在相同實驗條件下，分別對上述2種改進方法進行多次測量，實驗測量結果基本相同，表明2種改進的測量方法有較好的重復性，從而盡可能地減小了穩態法導熱系數測量的實驗誤差.

參考文獻：

[1]趙敏福，楊歡，張波，等． 大學物理實驗[M]． 合肥：中國科學技術大學出版社，2015：126-132．

[2]任忠明，張炯，王陽恩，等． 大學物理實驗(第二冊)[M]． 北京：科學出版社，2008：9-11．

[3]黃曙江． 散熱方法對材料導熱系數測量的影響和不確定度分析[J]. 計量與測試技術，2009，36(5)：90-94.

[4]朱肖平，沈志強，康青，等． 穩態法測量導熱系數裝置的改進與實驗數值計算方法研究[J]. 實驗技術與管理，2009，26(11)：61-63.

[5]冉凱華，冷雪松，王艷東． 測量不良導體導熱系數實驗裝置的改進[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(9)：47-50.

[6]張廣斌，鮑軍委，董大興． 穩態法導熱系數測量的誤差及改進方案[J]. 大學物理實驗，2013，26(5)：94-96.

[7]王雪珍，馬春光，譚偉石． 樣品厚度對穩態法測定不良導體導熱系數實驗的影響[J]. 物理實驗，2011，31(4)：24-27.

[8]孟祥睿，陳曉娟，張如波，等． 穩態平板法測量導熱系數的若干影響因素分析[J]. 大學物理，2008，27(12)：35-39.

[9]蔣林華． 不良導體導熱系數的測定與研究[J]. 浙江師大學報(自然科學版)，2001，24(3)：235-238.

[責任編輯：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：O4-34

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)04-0020-03

作者簡介：張德根(1984-)，男，安徽六安人，皖西學院基礎實驗中心實驗師，碩士，從事物理實驗教學工作．

收稿日期：2015-11-19

資助項目：安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目(No.KJ2016A749);安徽省教育廳自然科學研究重點項目(No.KJ2013A260)