2. 热传递基础：热传导、热对流、热辐射的基本原理与数学描述

各位工程师朋友，大家好。咱们今天聊聊热传递的三种基本方式。

做连接器设计，温升计算是绕不开的坎。我见过不少同行，一上来就堆散热片，结果效果很差。为什么？说白了，就是没搞懂热量到底是怎么跑掉的。

热传递就三种路子：传导、对流、辐射。咱们一个一个说清楚。

2.1 热传导：热量在固体里怎么走

热传导，就是热量从高温区往低温区跑，靠的是分子振动和自由电子运动。金属里自由电子多，所以导热快。塑料分子振动慢，导热就差。

傅里叶定律是热传导的根基。数学表达式很简单：

q = -k · (dT/dx)

其中：

• q —— 热流密度，单位 W/m²。说白了就是每平方米能传多少瓦。
• k —— 导热系数，单位 W/(m·K)。这是材料自己的本事。
• dT/dx —— 温度梯度。温差越大、距离越短，传热越快。

我在项目中遇到过一件事。有个端子设计，铜排截面够大，但温升就是超标。查了半天，发现是接触面没处理好。表面粗糙度太大，实际接触面积只有理论值的10%~20%。热量过不去，全堵在那儿了。

接触热阻是个大坑。两个固体表面接触，微观上看只有凸点挨着，空隙里是空气。空气导热系数只有0.026 W/(m·K)，比金属差几千倍。所以接触面处理不好，导热效率直线下降。

2.2 热对流：流体带走热量

热对流，是流体（空气或液体）流过固体表面时带走热量。连接器里最常见的就是空气自然对流。

牛顿冷却定律描述这个：

Q = h · A · (T_s - T_f)

其中：

• Q —— 换热量，单位 W。
• h —— 对流换热系数，单位 W/(m²·K)。这个值变化很大。
• A —— 换热面积，单位 m²。
• T_s —— 固体表面温度。
• T_f —— 流体温度。

你想想看，h值受什么影响？流速、流体性质、表面形状都有关系。自然对流时，空气的h大约5~25 W/(m²·K)。强制风冷可以到50~250。水冷更猛，500~10000。

我曾经踩过一个坑。设计大电流连接器时，觉得外壳散热面积够了。结果实测温升超标。后来发现，外壳表面太光滑，空气流不动。加了一些散热齿，面积只增加了30%，温降却降了15℃。这就是对流换热的魅力。

影响对流换热的因素：

1. 流速：风速从0.5 m/s提到2 m/s，换热系数能翻倍。
2. 表面方向：垂直表面比水平表面换热好。水平表面朝上比朝下好。
3. 表面粗糙度：适当粗糙的表面能扰动边界层，增强换热。
4. 流体物性：空气的导热系数随温度升高而增大。高温时对流效果反而好一些。

2.3 热辐射：看不见的红外线

热辐射，是物体通过电磁波向外传递热量。不需要介质，真空中也能传。温度越高，辐射越强。

斯特藩-玻尔兹曼定律：

Q = ε · σ · A · (T₁⁴ - T₂⁴)

其中：

• ε —— 发射率，黑体为1，实际物体小于1。
• σ —— 斯特藩-玻尔兹曼常数，5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴)。
• A —— 辐射面积。
• T₁、T₂ —— 绝对温度，单位K。

注意，这里是四次方关系。温度翻倍，辐射量变成16倍。所以高温时辐射很重要，低温时基本可以忽略。

我记得有个项目，连接器装在户外，太阳直晒。外壳温度比环境高20℃。一开始只考虑对流，怎么算都不对。后来把太阳辐射加进去，一下子就对上了。辐射不光是自己散热，还可能从外界吸热。

发射率ε的取值：

表面状态	发射率ε
抛光金属（铜、铝）	0.02~0.10
氧化金属	0.50~0.80
黑色阳极氧化	0.85~0.95
白色漆面	0.85~0.95
塑料外壳	0.90~0.95

2.4 三种传热方式的对比

咱们用一张表总结一下：

传热方式	控制方程	关键参数	连接器中的典型占比
热传导	q = -k·dT/dx	导热系数k、接触热阻	40%~60%
热对流	Q = h·A·ΔT	换热系数h、流速、面积	30%~50%
热辐射	Q = εσA(T₁⁴-T₂⁴)	发射率ε、温度四次方	10%~20%

实际工程中，三种方式同时存在。我习惯先算传导，再看对流，最后补辐射。这样不容易漏项。

2.5 知识体系总览

下面这张图，把热传递的三种方式串起来了。你一看就明白：

嗯，到这里热传递的基础就讲完了。这三种方式，你搞清楚了，温升计算就入门了。下次咱们聊怎么把这些公式用到连接器上，算算实际温升。

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