散热盘冷却速率测量方法的改进

张德根，杨　欢，胡训美，赵敏福

(皖西学院 基础实验中心，安徽 六安 237012)



散热盘冷却速率测量方法的改进

张德根，杨欢，胡训美，赵敏福

(皖西学院 基础实验中心，安徽 六安 237012)

摘要：针对轴流式风扇强迫对流时散热盘的上下面散热不均问题，提出了几种改进方式，通过对比发现：在散热盘上方再增加风扇或者覆盖保温泡沫的方式能够减小实验误差.

关键词：冷却速率；散热盘；温度

稳态法测量不良导体的导热系数[1]是大学物理实验中经典的热学实验，测量原理主要依据傅里叶热传导方程，其中测量散热盘冷却速率是实验的关键. 通常有2种冷却方式测量散热盘的冷却速率：第一种是考虑散热盘冷却速率与散热面积成正比[2]，计算冷却速率应作面积修正；第二种是冷却过程中在散热盘上表面覆盖待测样品盘进行测量.

目前已有许多文献[3-9]对于上述实验方法进行分析，然而散热盘冷却速率的测量仍然存在一定问题. 对于第一种测量方法，测量散热盘的冷却速率时风扇始终打开，此时散热盘的上下面所受风扇强迫对流的环境不同，其中上表面并未受到风扇的直接吹拂，因此散热盘表面散热不均匀，冷却速率作面积修正有所欠缺. 对于第二种测量方法，散热盘的上表面覆盖样品盘是否得到有效的隔热也值得探讨. 有鉴于此，本文提出了测量散热盘冷却速率的2种改进方法.

1第一种测量方法的改进

1.1实验过程

在稳态法测量不良导体的导热系数时，打开风扇强迫空气对流，可以减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，促使系统达到稳态，减小实验误差，故实验过程中导热系数测定仪下面风扇始终打开. 经测得系统达到稳态时加热盘和散热盘的温度分别是：T1=70.1 ℃，T2=42.0 ℃. 散热盘在自然冷却过程中，如果在其上下面均设置相同的风扇，以使其上下表面的散热环境相同，以此可以减小实验误差. 现在分别用3种散热方式测量散热盘的冷却速率：散热盘下面开风扇、散热盘上面开风扇、散热盘上下面均开风扇. 3种散热方式如图1所示.

(a)下面打开风扇散热

(b)上面打开风扇散热

(c)上下都打开风扇散热图1　3种散热方式

1.2实验结果与分析

在测量散热盘的冷却曲线时，先将其加热使温度升高20 ℃左右，实验室温度保持不变(19.5 ℃)待散热盘温度降至62.0 ℃时，开始计时，每隔10 s记录1次散热盘的温度，待散热盘温度下降至30.0 ℃左右停止测量. 根据测量的数据，作散热盘的T-t冷却曲线，如图2所示，计算3种散热方式下散热盘温度降至稳态值(42.0 ℃)的冷却速率分别为：

通过计算可知：散热盘上下均置风扇进行散热时，其冷却速率要比单一风扇散热时增加10%左右，而散热盘上下各单独打开风扇测得的冷却速率基本相同. 同时由测量数据可知，散热盘经过500 s的冷却，其中上下均置风扇时散热盘的温度下降最多，要比单独打开1台风扇散热时低5 ℃左右. 通过对比实验可知：仅在散热盘下面打开风扇，其上表面与下表面的散热环境不同，采用面积上的修正会使导热系数最终的计算结果偏小. 因此可采用第3种方式(散热盘上下面均开风扇)，使散热盘上下表面的空气对流环境基本相同，从而可以减小实验误差.

图2　散热盘的冷却曲线

2第2种测量方法的改进

2.1实验过程

常用的第2种方法是散热盘冷却过程中在其上面覆盖样品盘(橡胶盘)，为了验证样品盘的保温效果，现在进行对比实验. 分别用3种散热方式测量散热盘的冷却速率：覆盖泡沫垫、不加覆盖物、覆盖样品盘. 3种散热方式如图3所示.

(a)开风扇加泡沫垫

(b)只开风扇

(c)开风扇加样品盘图3　3种散热方式

2.2实验结果与分析

保持实验室温度不变(20.0 ℃)，实验前将散热盘升高20 ℃左右，待散热盘温度降至62.0 ℃时，开始计时,每隔10 s记录1次散热盘的温度，散热盘的冷却曲线如图4所示. 根据测量的数据，分别计算出3种散热方式下温度降至稳态值(42.0 ℃)的冷却速率分别为：

图4　散热盘的冷却曲线

实验结果显示：覆盖泡沫垫的散热盘的冷却速率最小，说明泡沫垫对散热盘上表面有保温隔热作用，而放置样品盘不仅没有减小散热盘的冷却速率，反而加快了散热速度. 这是因为将样品盘放在散热盘上方时，虽散热盘上表面无空气对流，但此时散热盘会向样品盘传热，且散热速率比直接暴露在空气中的散热速率要大，同时也比覆盖泡沫垫的散热速率大. 其中选用的泡沫垫材料为发泡聚苯乙烯，其导热系数为0.042 W/(m·K)，比热容为1.38 J/(kg·K). 由于泡沫的导热系数和比热容要比橡胶小很多，代替样品盘作为覆盖物，可有效减小散热盘上表面对外的散热.

3结束语

通过对散热盘的几种散热方式进行对比实验，提出了2种简易的改进方式. 对于第1种方式，散热盘上下都加散热风扇，测出散热盘的冷却速率为0.042 ℃/s，根据散热盘的几何尺寸，可计算出其面积修正系数为0.554，从而修正后的冷却速率为0.023 ℃/s，这与第2种改进方法测得的结果0.027 ℃/s相接近. 对于第2种改进方法中覆盖泡沫垫，能对散热盘上表面起有效的隔热效果，但无法做到完全隔热，散热盘上表面仍会对它进行传热，所以冷却速率测量结果要比第1种方法略偏大. 为了检验2种改进方法实验结果的可重复性，在相同实验条件下，分别对上述2种改进方法进行多次测量，实验测量结果基本相同，表明2种改进的测量方法有较好的重复性，从而尽可能地减小了稳态法导热系数测量的实验误差.

参考文献：

[1]赵敏福，杨欢，张波，等． 大学物理实验[M]． 合肥：中国科学技术大学出版社，2015：126-132．

[2]任忠明，张炯，王阳恩，等． 大学物理实验(第二册)[M]． 北京：科学出版社，2008：9-11．

[3]黄曙江． 散热方法对材料导热系数测量的影响和不确定度分析[J]. 计量与测试技术，2009，36(5)：90-94.

[4]朱肖平，沈志强，康青，等． 稳态法测量导热系数装置的改进与实验数值计算方法研究[J]. 实验技术与管理，2009，26(11)：61-63.

[5]冉凯华，冷雪松，王艳东． 测量不良导体导热系数实验装置的改进[J]. 实验室研究与探索，2013，32(9)：47-50.

[6]张广斌，鲍军委，董大兴． 稳态法导热系数测量的误差及改进方案[J]. 大学物理实验，2013，26(5)：94-96.

[7]王雪珍，马春光，谭伟石． 样品厚度对稳态法测定不良导体导热系数实验的影响[J]. 物理实验，2011，31(4)：24-27.

[8]孟祥睿，陈晓娟，张如波，等． 稳态平板法测量导热系数的若干影响因素分析[J]. 大学物理，2008，27(12)：35-39.

[9]蒋林华． 不良导体导热系数的测定与研究[J]. 浙江师大学报(自然科学版)，2001，24(3)：235-238.

[责任编辑：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

中图分类号：O4-34

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)04-0020-03

作者简介：张德根(1984-)，男，安徽六安人，皖西学院基础实验中心实验师，硕士，从事物理实验教学工作．

收稿日期：2015-11-19

资助项目：安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目(No.KJ2016A749);安徽省教育厅自然科学研究重点项目(No.KJ2013A260)