熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(共26頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律在開(kāi)發(fā)使用電能的電子設(shè)備時(shí)，免不了與熱打交道。“試制某產(chǎn)品后，卻發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱超乎預(yù)料，而且利用各種冷卻方法都無(wú)法冷卻”，估計(jì)很多讀者都會(huì)有這樣的經(jīng)歷。如果參與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的人員在熱設(shè)計(jì)方面能夠有共識(shí)，便可避免這一問(wèn)題。下面舉例介紹一下非專業(yè)人士應(yīng)該知道的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)。 “直徑超過(guò)13cm，體積龐大，像換氣扇一樣。該風(fēng)扇可獨(dú)立承擔(dān)最大耗電量達(dá)380W的PS3的散熱工作”。 以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy專題上的“PlayStation3”（PS3）拆解報(bào)道中的一句話。看過(guò)PS3內(nèi)像“風(fēng)扇”或“

2、換氣扇”一樣的冷卻機(jī)構(gòu)，估計(jì)一定會(huì)有人感到驚訝。 “怎么會(huì)作出這種設(shè)計(jì)？” “這肯定是胡摸亂撞、反復(fù)嘗試的結(jié)果?！薄皯?yīng)該運(yùn)用了很多魔術(shù)般的最新技術(shù)?！?“簡(jiǎn)直就是胡來(lái)” 大家可能會(huì)產(chǎn)生這樣的印象，但事實(shí)上并非如此。 PS3的冷卻機(jī)構(gòu)只是忠實(shí)于基礎(chǔ)，按照基本要求累次設(shè)計(jì)而成。既沒(méi)有胡摸亂撞，也不存在魔術(shù)般的最新技術(shù)。 在大家的印象里，什么是“熱設(shè)計(jì)”呢？是否認(rèn)為像下圖一樣，是“一個(gè)接著一個(gè)采取對(duì)策”的工作呢？其實(shí)，那并不能稱為是“熱設(shè)計(jì)”，而僅僅是“熱對(duì)策”，實(shí)際上是為在因熱產(chǎn)生問(wèn)題之后，為解決問(wèn)題而采取的措施。 如果能夠依靠這些對(duì)策解決問(wèn)題，那也罷了。但是，如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的階段，其思路存在不合

3、理的地方，無(wú)論如何都無(wú)法冷卻，那么，很可能會(huì)出現(xiàn)不得不重新進(jìn)行設(shè)計(jì)的最糟糕的局面。 而這種局面，如果能在最初簡(jiǎn)單地估算一下，便可避免發(fā)生。這就是“熱設(shè)計(jì)”。正如“設(shè)計(jì)”本身的含義，是根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)來(lái)構(gòu)想應(yīng)采用何種構(gòu)造，然后制定方案。也可稱之為估計(jì)“大致熱量”的作業(yè)。雖說(shuō)如此，但這其實(shí)并非什么高深的話題。如果讀一下這篇連載，學(xué)習(xí)幾個(gè)“基礎(chǔ)知識(shí)”，制作簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)表格，便可制作出能適用于各種情況的計(jì)算書，甚至無(wú)需專業(yè)的理科知識(shí)。 第1章從“什么是熱”這一話題開(kāi)始介紹。大家可能會(huì)想“那接下來(lái)呢”？不過(guò)現(xiàn)在想問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題。熱的單位是什么？如果你的回答是“”，那么希望你能讀一下本文。熱是能量的形態(tài)之一

4、。與動(dòng)能、電能及位能等一樣，也存在熱能。熱能的單位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物體移動(dòng)1m，使1g的水溫度升高0.24。設(shè)備會(huì)持續(xù)發(fā)熱。像這樣，熱量連續(xù)不斷流動(dòng)時(shí)，估計(jì)用“每秒的熱能量”來(lái)表示會(huì)更容易理解。單位為“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。不只是熱量，所有能量都不會(huì)突然生成，也不會(huì)突然消失。它們不是傳遞到其他物質(zhì)就是轉(zhuǎn)換為其他形態(tài)的能量。 比如，100J的能量可在100N力的作用下將物體移動(dòng)1m。使該“物體移動(dòng)”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物體時(shí)，能量會(huì)以位能的形態(tài)保存在物體中。使用能量使物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，則以動(dòng)能的形態(tài)保存在物體中。 100

5、J的能量可使100g水的溫度升高約0.24。這并不是通過(guò)升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來(lái)。 如上所述，能量無(wú)論在何處都一定會(huì)以某種形態(tài)保存起來(lái)。能量既不會(huì)憑空消失，也絕不會(huì)憑空產(chǎn)生。這就是最重要“能量守恒定律”。 現(xiàn)在大家已經(jīng)知道熱是一種能量，其單位用J表示了吧！能量會(huì)流動(dòng)，如果表示每秒的能量，單位則為W。 那么讓我們回到最初提出的那個(gè)問(wèn)題。是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過(guò)是根據(jù)能量的多少表現(xiàn)出來(lái)的一種現(xiàn)象。即使能量相同，如果集中在一個(gè)狹窄的空間內(nèi)，溫度就會(huì)升高，而大范圍分散時(shí)，溫度就會(huì)降低。 PS3等電器產(chǎn)品也完全遵守能量守恒定律。從電源插頭

6、流入的電能會(huì)在產(chǎn)品內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能，然后只會(huì)向周圍的物體及空氣傳遞。接通電源后一段時(shí)間內(nèi)，多半轉(zhuǎn)換的熱能會(huì)被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量?jī)H為少數(shù)。之后，裝置溫度升高一定程度時(shí)，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會(huì)無(wú)止境上升。 很多人會(huì)認(rèn)為，“熱設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機(jī)構(gòu)”。 就像前面指出的那樣，說(shuō)是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產(chǎn)生熱能。說(shuō)是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。 如左圖所示,熱設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)一種“將W的能量完全向外部轉(zhuǎn)移的機(jī)構(gòu)”，其結(jié)果是可達(dá)到“以下”。大家首先要有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)！ 下面看一下熱傳遞的方式。 熱能傳遞只有3種方式。分別為“傳導(dǎo)”、“

7、對(duì)流”及“熱輻射”。請(qǐng)注意，傳導(dǎo)與對(duì)流表面文字相似，但絕不相同！ 傳導(dǎo)是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。鋁和鐵的導(dǎo)熱性都很出色。這就是傳導(dǎo)。 如果用數(shù)值表示導(dǎo)熱性，樹(shù)脂為0.20.3，鐵為49，鋁為228，銅為386。這些都是指該物質(zhì)的導(dǎo)熱率，單位為“W/（m·）”。越容易導(dǎo)熱的物質(zhì)，該數(shù)值越大。 如果用一句話來(lái)表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長(zhǎng)1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1時(shí)，會(huì)流動(dòng)多少W”。如果將其單位“W/（m·）”寫成 大家是不是立刻就明白了呢？對(duì)流是指熱能通過(guò)與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請(qǐng)大家聯(lián)想一下吃熱拉面時(shí)的情景。用嘴吹一下

8、，拉面就會(huì)變涼。那就是利用熱對(duì)流使熱從拉面表面向吹出的空氣傳遞的結(jié)果。 這也可用數(shù)值表示。比如，流體為水，散熱面水平放置時(shí)，自然對(duì)流就為（2.35.8）×100，受迫對(duì)流就為（1.25.8）×1000，水沸騰時(shí)就為（1.22.3）×10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2·）”。 這個(gè)單位很容易理解。由于是“W/（面積·溫度差）”，因此它的意思就是“面積為1m2的面與周圍流體的溫度差為1時(shí)，會(huì)從該面?zhèn)鬟f多少W熱量”。 該傳熱系數(shù)受散熱面設(shè)置狀況的影響較大。根據(jù)流體的種類、流速及流動(dòng)方向等，數(shù)值會(huì)發(fā)生變化。因此，計(jì)算傳熱系數(shù)的公

9、式會(huì)根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。 比如，有一個(gè)溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動(dòng)空氣時(shí)（受迫對(duì)流），可用左圖的公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點(diǎn)。 傳熱系數(shù)與流速的平方根（）成比例 流速提高至2倍，傳熱系數(shù)也只提高至1.4倍 如果冷卻面積相同，流動(dòng)的距離越長(zhǎng)，傳熱系數(shù)越低 在冷卻面上流動(dòng)的空氣吸熱后，會(huì)在溫度上升的同時(shí)繼續(xù)流動(dòng)，因此冷卻能力會(huì)越來(lái)越弱。 總之，冷卻熱的物體時(shí)，與使用強(qiáng)風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴(kuò)大散熱面，使整體通風(fēng)的方法更有效。 下面介紹一下自然對(duì)流的情況。空氣自然對(duì)流時(shí)的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。這里出現(xiàn)兩個(gè)新詞，分別為“姿勢(shì)系數(shù)”和“代表長(zhǎng)度”。這些是根據(jù)面的形狀

10、及設(shè)置方向定義的。右圖分別顯示了垂直和水平設(shè)置平板時(shí)的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢(shì)系數(shù)及代表長(zhǎng)度。輻射是指經(jīng)由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式。被電爐發(fā)出的紅色光照射后，會(huì)感到溫暖。這就是熱輻射。太陽(yáng)的熱量穿過(guò)真空宇宙到達(dá)地球，這也屬于輻射。 輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸放，而白色較難。 如果用數(shù)值來(lái)表示，其數(shù)值范圍為01。理論上來(lái)講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.050.5，鐵為0.60.9，黑色樹(shù)脂為0.80.9。這就是熱輻射率（沒(méi)有單位）。 此處公開(kāi)的公式是一個(gè)近似式，用于計(jì)算設(shè)置在空氣中的物體向周圍的空氣進(jìn)行輻射時(shí)傳遞的熱量。

11、物體和空氣的溫度差并不是很大時(shí)，可利用該公式準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)果。 熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計(jì)算出“從表面溫度為的方形箱體表面會(huì)向空氣中釋放多少W的熱量”。 至此，總結(jié)了“熱設(shè)計(jì)的3條基礎(chǔ)知識(shí)”。不論是感覺(jué)“公式很難”的人，還是“早就知道”的人，只要了解這3條就足夠了。 總而言之，其根本是要“遵守原理原則”。不違背原理原則，一點(diǎn)一點(diǎn)仔細(xì)設(shè)計(jì)非常重要。就像中學(xué)和大學(xué)教科書中記載的那樣，基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)最為重要。 下面，估計(jì)一下實(shí)際設(shè)備的大小，然后試著計(jì)算從該箱體的表面會(huì)釋放出多少熱量。假設(shè)將大小與第一代PS3幾乎相同（325mm×275mm×100mm）的方形箱體豎

12、著放置，并且假設(shè)該箱體內(nèi)外不換氣。 環(huán)境溫度按照產(chǎn)品的工作保證溫度決定。在此，工作保證溫度最高為35，假設(shè)再加上5作為設(shè)計(jì)余量。下面再確定一下設(shè)備外裝的表面溫度吧！該溫度由作為產(chǎn)品性能參數(shù)的容許溫度決定。在此，假設(shè)箱體的表面溫度同樣為60。并且，將由外裝使用的素材及顏色決定的表面輻射率設(shè)定為0.8。 此時(shí)，在其內(nèi)部生成的不對(duì)，應(yīng)該是在箱體內(nèi)部由電轉(zhuǎn)換為熱量的能量，從箱體的表面通過(guò)熱對(duì)流及熱輻射的方式向外部轉(zhuǎn)移。另外，估計(jì)設(shè)備表面與外部接觸的部分只有小橡膠底座，因此不會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量。 并且，暫不考慮散熱片設(shè)計(jì)情況及處理器的溫度。這里僅針對(duì)箱體大小、表面情況及外部溫度決定的能量進(jìn)出收支計(jì)

13、算。 會(huì)是多少W呢？第一代PS3的最大發(fā)熱量為380W。試想一下，其中來(lái)自外殼表面的散熱會(huì)是多少？ 從箱體表面放出的熱量為54.8W。而這是外殼表面溫度均為60時(shí)的數(shù)值。實(shí)際上，外殼的表面溫度分布不均，只有一部分為溫度60。估計(jì)大部分無(wú)法達(dá)到規(guī)格溫度。粗略估算一下，整體僅有6成為60，只能散熱32.9W。估計(jì)現(xiàn)實(shí)中會(huì)更少。 綜上所述，PS3大小的設(shè)備從外殼表面最多只能散熱30W左右?？杀氖牵@就是現(xiàn)實(shí)。產(chǎn)品的發(fā)熱量如果為100W，剩余的70W必須采用其他方式強(qiáng)制釋放出來(lái)。380W的話，剩下的就是350W。下一章將介紹為此而采用的換氣措施。熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（二）風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定與PS3同等大

14、小的箱體所產(chǎn)生的自然散熱，最多也只有30W左右，這在確認(rèn)熱相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的第一篇文章中已經(jīng)介紹過(guò)。有時(shí)必須利用某些手段強(qiáng)制性地排出剩余熱能。此時(shí)，電子產(chǎn)品中使用的是專門用來(lái)在產(chǎn)品內(nèi)外進(jìn)行換氣的風(fēng)扇。該風(fēng)扇根據(jù)能量的收支計(jì)算來(lái)決定。下面將介紹如何選擇風(fēng)扇。 在講解熱傳遞基礎(chǔ)知識(shí)的本連載第一篇文章中得知，與第一代“PlayStation 3”（PS3）大小（325mm×275mm×100mm）基本相同的方形箱體表面，“最多只能散熱30W左右”。而事實(shí)上，有許多人無(wú)法認(rèn)同這種解釋。他們的觀點(diǎn)大致有以下三種。 “好像有輻射特性非常出色的涂料？” “外殼全部采用鋁！” “如果采用水冷方

15、式的話，可以進(jìn)一步減小尺寸？” 在進(jìn)入正題之前，我們先就這些觀點(diǎn)進(jìn)行探討。 首先是“魔術(shù)涂料”。實(shí)際上，的確有一種可以提高表面輻射率的涂料。那么，我們將在上次計(jì)算中為0.8的輻射率，改為理論最高值1.0進(jìn)行計(jì)算。雖然因輻射而產(chǎn)生的散熱量增至1.25倍，但整體上約為38W，只不過(guò)比上次的33W增加了5W。在“發(fā)熱量較少，而換氣的確困難”的狀況下，“魔術(shù)涂料”可成為強(qiáng)有力的幫手，但也并不是將散熱量增至兩倍或三倍。 “外殼全部采用鋁！多花成本也無(wú)所謂！”這樣的話對(duì)于我這樣的機(jī)械愛(ài)好者真是求之不得然而，這種想法的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是“均勻外殼表面的溫度，從整個(gè)表面進(jìn)行散熱”吧。 這種情況下的答案顯而易見(jiàn)。上章

16、中，考慮到外殼表面的溫度分布，粗略地估算為有“六成”分布達(dá)到60，散熱量估計(jì)為33W。假設(shè)外殼表面完全沒(méi)有溫度分布，整個(gè)表面均為60，那么不打“六折”，散熱量約為55W。那么，反過(guò)來(lái)算一下，要想通過(guò)外殼表面散熱300W，表面溫度必須為多少。而且，輻射率為理論上的最高值1.0，同時(shí)沒(méi)有溫度分布！在這種條件下進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果竟然是115。這種溫度豈止是摸上去會(huì)不會(huì)導(dǎo)致燒傷的問(wèn)題！這種游戲機(jī)太不安全了，無(wú)法銷售。 “如果采用水冷方式的話，將可以很好地降溫”。許多人都有這種簡(jiǎn)單的想法。確實(shí)，自來(lái)水是比較涼。如果從自來(lái)水的水龍頭開(kāi)始拉長(zhǎng)水管連接到產(chǎn)品上的話，肯定可以很好地降溫。但是，不能這么做吧。

17、冷卻機(jī)構(gòu)基本上由三個(gè)要素構(gòu)成。 受熱部：承受發(fā)熱源的熱量 傳熱部：將熱量從受熱部傳遞到散熱部 散熱部：將熱量傳遞到大氣中 水冷是指經(jīng)由水進(jìn)行熱傳遞。其原理是暫且將發(fā)熱源的熱量傳遞到水中，然后水（應(yīng)該是熱水）流動(dòng)到散熱部，最后排放到大氣中。 水冷后的水只在裝置中循環(huán)，最終必須通過(guò)某些方法將熱量排放到大氣中。原則上，和的大小即使采用水冷方式也不會(huì)發(fā)生變化。另外，如果采用水冷方式，就需要泵和配管，這樣一來(lái)冷卻機(jī)構(gòu)的體積就會(huì)變大。 水冷可以在下列幾種情況中發(fā)揮作用。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)（發(fā)熱源）和散熱器（散熱部）就是代表性例子。 ?由于發(fā)熱部的熱密度較大，因此希望提高受熱部的熱導(dǎo)率 ?發(fā)熱部和散熱部遠(yuǎn)遠(yuǎn)地隔開(kāi)

18、 ?由于總發(fā)熱量較多、散熱部非常大，因此希望將熱量擴(kuò)散到散熱部的各個(gè)角落 ?發(fā)熱源較多，希望通過(guò)一個(gè)散熱部統(tǒng)一進(jìn)行散熱 至此，各位讀者心中已經(jīng)有一個(gè)大致的答案了吧。即使運(yùn)用各種方法，也無(wú)法從PS3這種大小的產(chǎn)品表面自然地放出200W或300W的熱量。剩余部分只能吸入空氣，然后使熱量滲入到空氣中，最后將變暖的空氣排放到產(chǎn)品外部。例如，如果整個(gè)裝置的發(fā)熱量為100W，則剩余的70W必須通過(guò)“換氣”排出去。 那么，當(dāng)流入空氣溫度為40、流出空氣溫度為60時(shí)，為了排出70W熱量需要多少空氣量呢？根據(jù)空氣熱容量按照下面的公式進(jìn)行計(jì)算后得知，需要?dú)懊?.7L（毎分0.162m3）的空氣。即便只是想象一下，

19、也是個(gè)很大的量啊。 該風(fēng)量無(wú)法通過(guò)自然換氣排出來(lái)，稍后將會(huì)詳細(xì)地進(jìn)行介紹。最終結(jié)論是需要風(fēng)扇。另外，第一代PS3的熱處理能力為500W，因此，為了通過(guò)換氣將減去30W后剩余的470W排出去，需要每分鐘1.1m3的換氣量。 不過(guò)，在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，很難按照理論值進(jìn)行。會(huì)使用稍多的流量。換言之，“能夠以盡量接近理論值的較少的空起量進(jìn)行冷卻”將決定冷卻設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。如何減少未發(fā)揮作用而白白通過(guò)的空氣，將成為顯示技術(shù)實(shí)力的關(guān)鍵。 此處將介紹在本連載中今后會(huì)用到的便捷工具。這就是稱為“P-Q圖”或“P-Q特性”的圖表，縱軸表示靜壓（P）、橫軸表示流量（Q）。裝置的阻力特性 請(qǐng)想象一下有吸氣口和排氣口的裝

20、置?？諝鈴奈鼩饪谶M(jìn)入后，會(huì)在裝置內(nèi)流動(dòng)，然后從排氣口出來(lái)。此時(shí)，裝置中塞滿了部件，因此會(huì)阻礙空氣流動(dòng)。如果在吸氣口施加低靜壓，會(huì)有少量空氣流動(dòng)起來(lái)，如果施加高靜壓則會(huì)有大量的空氣流動(dòng)起來(lái)。這是當(dāng)然的。 如果將這種關(guān)系用圖表來(lái)表示，會(huì)形成一條向右上方攀升的線。表示裝置的通風(fēng)阻力，即“向該裝置中施加多少靜壓后，會(huì)有多少空氣會(huì)流動(dòng)起來(lái)”。一般稱為“系統(tǒng)阻抗” （System Impedance）。風(fēng)扇的性能特性 當(dāng)被問(wèn)及“該風(fēng)扇的性能如何”時(shí)，如果可以用“10馬力”等一個(gè)數(shù)值來(lái)表達(dá)就好了，但卻不能這么做。這是因?yàn)椋幢闶峭粋€(gè)風(fēng)扇，如果安裝在阻力較大的箱體上，就只能使少量空氣流動(dòng)起來(lái)，如果安裝在阻力

21、較小的箱體上，則可以使更多的空氣流動(dòng)起來(lái)。 將這種關(guān)系用圖表來(lái)表示的話，會(huì)形成一條向右下方下降的線。就是表示風(fēng)扇能力的曲線。表示“風(fēng)扇在多大的靜壓時(shí)，會(huì)使多少空氣流動(dòng)起來(lái)”。一般稱為“風(fēng)扇的P-Q特性”。 工作點(diǎn) 那么，在裝置中安裝風(fēng)扇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多大的靜壓、流動(dòng)多大的流量？表示該答案的就是和的交點(diǎn)工作點(diǎn)。 在對(duì)強(qiáng)制進(jìn)行空氣冷卻的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，最先決定的是風(fēng)扇的種類和大小。風(fēng)扇的種類和大小先于散熱片（散熱板）和微細(xì)內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行決定，這也許會(huì)讓部分讀者覺(jué)得意外。更準(zhǔn)確的說(shuō)，是已經(jīng)被決定了。 風(fēng)扇有多種型號(hào)，P-Q特性線的斜率會(huì)因種類而發(fā)生變化。這里將介紹三種具有代表性的風(fēng)扇。 軸流風(fēng)扇：這是一種最

22、普通的像電風(fēng)扇扇翼一樣的風(fēng)扇。風(fēng)從扇翼的旋轉(zhuǎn)軸方向排出。特點(diǎn)是靜壓低、風(fēng)量大?！癙layStation 2”（PS2）中采用了這種型號(hào)的風(fēng)扇。 離心式風(fēng)扇：這是一種利用離心力引起空氣流動(dòng)的風(fēng)扇。風(fēng)從圓周方向排出。特點(diǎn)是靜壓稍高、風(fēng)量稍少。PS3中采用的風(fēng)扇就是這種型號(hào)。 橫流風(fēng)扇（Cross flow Fan）：從旋轉(zhuǎn)圓筒的一側(cè)曲面大量吸入空氣，然后從另一曲面大量排出。特點(diǎn)是風(fēng)量超大、靜壓超低。適合換氣量非常大、系統(tǒng)阻抗較低的產(chǎn)品。代表性例子就是空調(diào)的室內(nèi)機(jī)。 另外，即便是相同種類的風(fēng)扇，如果大小和旋轉(zhuǎn)次數(shù)不同，風(fēng)量和靜壓也會(huì)發(fā)生變化。如果都變大的話，P-Q特性線就會(huì)偏向右上方。 下面將把各種

23、風(fēng)扇的特性繪制到P-Q圖中。將各種風(fēng)扇P-Q特性線的大致中間值作為代表值，兩軸采用對(duì)數(shù)顯示方式。按照橫流風(fēng)扇、軸流風(fēng)扇和離心式風(fēng)扇的順序，靜壓越來(lái)越高。作為參考，還加入了機(jī)械式壓縮機(jī)的數(shù)值。正如讀者想像的那樣，壓力非常大，但流量非常少。 將正在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品所需風(fēng)量和所需靜壓代入該圖中，就可以判斷出哪種型號(hào)的風(fēng)扇是最佳選擇。 那么，筆者將以第一代PS2及第一代PS3為例來(lái)介紹風(fēng)扇的選擇方法。 首先，估計(jì)所需的換氣量。第一代PS2為了向空氣中排出80W，所需的換氣量為毎分鐘0.24m3。第一代PS3為了承受470W的熱量，需要?dú)胺昼?.1m3的換氣量。 然后，估計(jì)系統(tǒng)阻抗。雖然只是“估計(jì)”，但實(shí)際上

24、并不能通過(guò)紙上計(jì)算輕松地得出結(jié)果。對(duì)類似的機(jī)型進(jìn)行測(cè)量，或者試制樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣更快吧。 從結(jié)論來(lái)看，第一代PS2約為15Pa，第一代PS3約為300Pa。兩者之間的差距起因于空氣的流動(dòng)路徑。PS2采用的是從外殼前面吸氣，然后冷卻散熱片和電源，最后直接從外殼背面進(jìn)行排氣的筆直流路。而PS3則是從多處吸氣，對(duì)多處進(jìn)行冷卻，然后冷卻電源，在外殼內(nèi)轉(zhuǎn)換方向從二層降到一層，對(duì)散熱片進(jìn)行冷卻后排氣。由于流路長(zhǎng)而復(fù)雜，因此空氣阻力較大。這時(shí)就需要可以解決這個(gè)問(wèn)題的高靜壓風(fēng)扇。 將需要的換氣量和靜壓代入P-Q圖中。PS2的要求標(biāo)準(zhǔn)是軸流風(fēng)扇的“好球區(qū)” （Strike Zone）。而離心式風(fēng)扇恰好符合PS

25、3的要求標(biāo)準(zhǔn)。 然后，查看風(fēng)扇廠商的產(chǎn)品目錄，從符合P-Q特性的風(fēng)扇中選擇大小剛好的產(chǎn)品。PS2和PS3風(fēng)扇的扇翼形狀是索尼自主開(kāi)發(fā)的，參考各大公司的產(chǎn)品目錄后，大致上就可以想象到其大小。順便介紹一下，在第一代PS3中，為了獲得每分鐘1.1m3和300Pa的性能，新開(kāi)發(fā)出了直徑為140mm、厚度為30mm的風(fēng)扇。并且，PS2和“PSX”中采用了直徑為60mm、厚度為15mm的軸流風(fēng)扇。 至此，本文一直強(qiáng)調(diào)，“如果不用風(fēng)扇，這些風(fēng)量不會(huì)流動(dòng)起來(lái)”。果真如此嗎？肯定會(huì)有人持有這樣的疑問(wèn)，“如果最大限度地利用煙囪效應(yīng) （Chimney Effect），不是可以散熱幾十W左右嗎”？ 如果溫度變高，空氣

26、就會(huì)膨脹。也就是說(shuō)，如果體積相同，熱空氣會(huì)變輕。較輕的空氣被較重的空氣推開(kāi)，然后上升。這就是自然對(duì)流。如果用墻壁將又熱又輕的空氣包圍起來(lái)，敞開(kāi)上下面，可進(jìn)一步地促進(jìn)自然對(duì)流。這就是煙囪效應(yīng)。 那么，如果假設(shè)整個(gè)產(chǎn)品外殼是煙囪，則可獲得多大的流量呢？假設(shè)是一個(gè)大小與PS3基本相同的方形箱體，將其上面和下面全都敞開(kāi)。然后求出此時(shí)因煙囪效應(yīng)而產(chǎn)生的靜壓。 40的空氣密度為1.128kg/m3，60的空氣密度為1.060kg/m3?？諝饷芏戎畛艘酝鈿じ叨群螅弥o壓為0.022kg/m2（0.216Pa）。我們根據(jù)該靜壓來(lái)推算風(fēng)量。因?yàn)橛械谝淮鶳S2的系統(tǒng)阻抗測(cè)定值，因此可以使用。 當(dāng)施加通過(guò)煙囪效

27、應(yīng)獲得的0.216Pa靜壓時(shí)，流入第一代PS2的風(fēng)量?jī)H為毎分鐘0.015m3。第一代PS2需要的風(fēng)量，即便是理論值也高達(dá)每分鐘0.24m3。毎分鐘0.015m3這個(gè)數(shù)值完全不夠！即使將整個(gè)產(chǎn)品外殼做成煙囪，也無(wú)望通過(guò)煙囪效應(yīng)進(jìn)行換氣。結(jié)論還是必須得安裝風(fēng)扇。 如上所述，所需風(fēng)扇型號(hào)和大小全由能量情況決定。首先應(yīng)決定風(fēng)扇，“采用何種內(nèi)部構(gòu)造”及“采用什么樣的散熱片”等是次要的。 姑且進(jìn)行試制或姑且實(shí)現(xiàn)模塊化進(jìn)行模擬，如果未能冷卻再安裝風(fēng)扇，這種開(kāi)發(fā)方式無(wú)法制成出色的產(chǎn)品，而且會(huì)耗費(fèi)開(kāi)發(fā)時(shí)間。首先動(dòng)手計(jì)算，搞清楚能量收支與風(fēng)扇的必要性，才是合理的設(shè)計(jì)捷徑。（特約撰稿人：鳳 康宏索尼計(jì)算機(jī)娛樂(lè)公司設(shè)

28、計(jì)2部5課課長(zhǎng)） 熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（三）散熱片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是手工計(jì)算在上一章里，確定了用于平衡整個(gè)裝置能量收支的風(fēng)扇種類。本文將以此為前提來(lái)設(shè)計(jì)散熱片。從求出熱傳導(dǎo)率及散熱量的公式來(lái)考慮即可得知，散熱片（Heat Sink）的大概性能可通過(guò)簡(jiǎn)單的手工計(jì)算來(lái)求得。下面將結(jié)合首款PS3的實(shí)例，證實(shí)手工計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際裝置上采用的散熱片的驚人一致之處。 在一文中曾提到整個(gè)裝置中的熱能收支是相互吻合的。下面，開(kāi)始介紹散熱片的設(shè)計(jì)。 想讓滾燙的拉面涼下來(lái)時(shí)，大家會(huì)怎么做？一般會(huì)呼呼地吹氣，對(duì)吧？這是利用了中介紹的“熱傳導(dǎo)”原理的冷卻方法。這個(gè)時(shí)候，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來(lái)呢？ 熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量公式如

29、下： 通過(guò)熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量W熱傳導(dǎo)率W/（m2·）×散熱面積m2×與周圍的溫度差 由于溫度差，也即拉面溫度與吹出的氣息溫度之差是確定的，無(wú)法改變。然而，如果增加散熱面積，就能增加散熱量。如果將用筷子夾起的面條攤開(kāi)，借此加大散熱面積，并讓所有面條都均勻地接觸到空氣，便可有效地使面條冷卻下來(lái)。散熱片（Heat Sink。字面意思是“熱量分流槽”）利用了與此完全相同的思路。使發(fā)熱源的熱量擴(kuò)散到面積較大的翼片（葉片）上，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量轉(zhuǎn)移給空氣，這就是散熱片的功能。 讓我們來(lái)復(fù)習(xí)一下計(jì)算散熱量時(shí)一定會(huì)用到的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率會(huì)隨著散熱面的放置方式而發(fā)生變化。強(qiáng)制性

30、地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過(guò)時(shí)，熱傳導(dǎo)率的計(jì)算式如下。 也就是說(shuō)，與散熱量相關(guān)的變量有以下4個(gè)。散熱面積：越大越有利于散熱。如果散熱面積增加1倍，則散熱量也增加1倍。我想大家經(jīng)常會(huì)看到由多枚很薄的翼片重疊而成的散熱片，其目的就是為了在狹小的空間獲得較大的散熱面積。 溫度差：溫度差越大，則散熱能力越高。如果溫度差增加1倍，則散熱量也增加1倍。散熱片之所以采用鋁及銅材料，就是為了在盡量不降低溫度的情況下，把發(fā)熱源的熱量傳導(dǎo)到翼片上。流速：流速提高，則熱傳導(dǎo)率也提高。不過(guò)，即使流速增加1倍，熱傳導(dǎo)率只增加0.4倍，也就是說(shuō)，散熱量只會(huì)增加0.4倍。氣流方向的長(zhǎng)度：該長(zhǎng)度越短，則熱傳導(dǎo)率越高。這

31、是因?yàn)?，在氣流方向的下游空氣溫度?huì)上升，而冷卻能力則會(huì)下降。在相同面積的翼片上，如果在氣流方向上以長(zhǎng)度較短、而橫向較寬的方式配置散熱片，則散熱量增大。 下面，讓我們來(lái)計(jì)算一下散熱片的散熱能力。如右圖所示，在80的散熱板上，讓40的空氣平行流過(guò)的強(qiáng)制空冷散熱片時(shí)的實(shí)例。 從散熱面散發(fā)出的熱量達(dá)到了2.44W。因?yàn)槊棵兑砥加姓磧擅?，所以，?yīng)該有2倍的4.88W熱量從翼片散發(fā)出來(lái)。 讓我們將這種翼片放到作為發(fā)熱源的芯片上試試看。假定芯片的表面溫度為80。在此，我們暫且忽略從芯片表面到翼片根部的熱接觸阻抗等，假設(shè)翼片根部的溫度也是80。 前面是在假設(shè)翼片溫度均勻分布的情況下進(jìn)行的計(jì)算，但實(shí)際上不可

32、能整個(gè)翼片都是相同的溫度。也許接近芯片的部分是80，但翼片上方的溫度會(huì)略微下降。因此，散熱量會(huì)小于上述的4.88W。例如，會(huì)減小到70或者85。 隨著翼片內(nèi)部溫度分布的不同，散熱量會(huì)降低到翼片整體為均一溫度時(shí)的百分之幾，我們將這個(gè)百分?jǐn)?shù)稱為“翼片效率”。翼片效率可通過(guò)翼片的熱傳導(dǎo)率及尺寸進(jìn)行計(jì)算。 在剛才的例子中，假設(shè)翼片的熱傳導(dǎo)率為170W/（m·）、厚度為1mm，我們將其帶入到公式中算一下。得出翼片效率為81。就是說(shuō)，每枚這種翼片的散熱量為3.97W。假如想散發(fā)100W的熱量，那么就需要26枚翼片。 大家可以利用表計(jì)算軟件等，試著改換多種變量來(lái)計(jì)算一下。這樣就能切實(shí)感受到采用什么

33、樣的翼片時(shí)會(huì)散發(fā)多少熱量。下面，讓我們用以上介紹的計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì)第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。 不過(guò)，在此之前必須有設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)是一門藝術(shù)，解不會(huì)是只有一個(gè)。基于什么樣的想法、設(shè)計(jì)成什么形狀，這些都必需在設(shè)計(jì)之初確定下來(lái)。否則的話，要么會(huì)中途迷失方向，誤入歧途，從而求不出答案；要么最終得到一個(gè)修修補(bǔ)補(bǔ)、東拼西湊出來(lái)的設(shè)計(jì)。筆者在確定設(shè)計(jì)思想時(shí)，只想一個(gè)問(wèn)題：“什么樣的設(shè)計(jì)才是最理想的？”。我覺(jué)得，重要的是拋棄根據(jù)晦澀難懂的專業(yè)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)得出的成見(jiàn)，單刀直入地考慮問(wèn)題。 首先，我們來(lái)考慮“理想的散熱片”。理想的散熱片究竟應(yīng)該是什么形狀的？ 為了提高熱傳導(dǎo)率，在氣流方

34、向上長(zhǎng)度要短，在氣流的橫向上要寬，這是最理想的。這樣才能使熱量擴(kuò)散到產(chǎn)生氣流的整個(gè)區(qū)域。這與上一章介紹的“消除那些不做功而白白流過(guò)的空氣”這一目的相吻合。 在上一章，我們決定在首款PS3上采用離心式風(fēng)扇。讓我們按照這一理想，思考一下離心式風(fēng)扇中的理想散熱片形狀。 離心式風(fēng)扇呈放射狀地向所有方向進(jìn)行排氣。如果在這一氣流發(fā)生的整個(gè)區(qū)域薄薄地配置上散熱片的話。那就會(huì)形成像面包圈一樣的形狀。 “對(duì)離心式風(fēng)扇而言的理想散熱片形狀，是面包圈形”。筆者將此作為基本的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出了PS3的散熱片。接下來(lái)，讓我們來(lái)確定散熱片設(shè)計(jì)的前提條件吧。首先是流速。根據(jù)裝置整體熱收支的計(jì)算，風(fēng)扇的性能指標(biāo)被確定下來(lái)。根

35、據(jù)該數(shù)值可以計(jì)算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時(shí)的流速為1.4m/s。 然后是散熱片的尺寸。假定“面包圈”的厚度與風(fēng)扇相同，內(nèi)徑也與風(fēng)扇相同。氣流方向的長(zhǎng)度暫且假設(shè)為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200mm。材質(zhì)為純鋁，翼片的板厚暫且假設(shè)為0.5mm。與溫度相關(guān)的條件也必不可少。假定芯片表面的容許溫度為80時(shí)，翼片的根部溫度會(huì)低幾度，因此，我們預(yù)先假設(shè)為75。另外，流入散熱片的空氣溫度方面，我們?cè)O(shè)定得比40的環(huán)境溫度高一些。這是因?yàn)?，空氣從吸氣口進(jìn)來(lái)之后，先對(duì)產(chǎn)品內(nèi)的各部位進(jìn)行冷卻，然后才會(huì)到達(dá)散熱片。因此，暫且定為50。 最后是熱處理能力。PS3的散熱片負(fù)責(zé)冷卻“Cell”及“RSX”這兩個(gè)LSI。在

36、此，我們將其合在一起作為1個(gè)芯片進(jìn)行計(jì)算。雖然Cell及RSX的耗電量沒(méi)有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計(jì)200W。 利用以上條件，就可以通過(guò)前面列舉的計(jì)算式來(lái)計(jì)算“需要幾枚翼片”。 因?yàn)橐砥某叽鐬?0mm×30mm，所以，熱傳導(dǎo)率為26.4W/（m·），平均每枚翼片的散熱量為1.19W（翼片各處的溫度一律為75時(shí)）。 翼片效率為88，因此，實(shí)際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說(shuō)，要想散發(fā)200W的熱量，則需要193枚翼片。 如果在“面包圈”中均等地配置翼片，那么翼片的間距約為2.8mm。因?yàn)閷?shí)際裝置中還要配置其他部件，所以肯定不能向整個(gè)圓周方向進(jìn)行排氣。

37、如果假定向整個(gè)圓周的70進(jìn)行排氣，則翼片的間距約為2mm。 綜上所述，首先通過(guò)簡(jiǎn)單的手工計(jì)算進(jìn)行粗略的設(shè)計(jì)。然后，再結(jié)合商品的性能對(duì)數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)更新“暫定”的數(shù)值，從而逐步推敲出一份最佳設(shè)計(jì)。如果利用表計(jì)算軟件等，上述計(jì)算將會(huì)十分輕松。 下面，筆者給大家介紹一下針對(duì)首款PS3實(shí)際開(kāi)發(fā)的散熱片的詳情。 首先，是散熱片的基礎(chǔ)部分。在剛才的計(jì)算中，我們將整齊排列的所有翼片的根部溫度假定為75。假設(shè)身為熱源的芯片的表面溫度為80，那么就必須以溫度下降5以內(nèi)的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個(gè)基礎(chǔ)部分。為此，PS3采用了導(dǎo)熱管（Heat Pipe）。首先是流速。根據(jù)裝置整體熱收支的

38、計(jì)算，風(fēng)扇的性能指標(biāo)被確定下來(lái)。根據(jù)該數(shù)值可以計(jì)算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時(shí)的流速為1.4m/s。 然后是散熱片的尺寸。假定“面包圈”的厚度與風(fēng)扇相同，內(nèi)徑也與風(fēng)扇相同。氣流方向的長(zhǎng)度暫且假設(shè)為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200mm。材質(zhì)為純鋁，翼片的板厚暫且假設(shè)為0.5mm。 與溫度相關(guān)的條件也必不可少。假定芯片表面的容許溫度為80時(shí)，翼片的根部溫度會(huì)低幾度，因此，我們預(yù)先假設(shè)為75。另外，流入散熱片的空氣溫度方面，我們?cè)O(shè)定得比40的環(huán)境溫度高一些。這是因?yàn)?，空氣從吸氣口進(jìn)來(lái)之后，先對(duì)產(chǎn)品內(nèi)的各部位進(jìn)行冷卻，然后才會(huì)到達(dá)散熱片。因此，暫且定為50。 最后是熱處理能力。PS3的散熱片負(fù)責(zé)冷卻“C

39、ell”及“RSX”這兩個(gè)LSI。在此，我們將其合在一起作為1個(gè)芯片進(jìn)行計(jì)算。雖然Cell及RSX的耗電量沒(méi)有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計(jì)200W。 利用以上條件，就可以通過(guò)前面列舉的計(jì)算式來(lái)計(jì)算“需要幾枚翼片”。 因?yàn)橐砥某叽鐬?0mm×30mm，所以，熱傳導(dǎo)率為26.4W/（m·），平均每枚翼片的散熱量為1.19W（翼片各處的溫度一律為75時(shí)）。翼片效率為88，因此，實(shí)際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說(shuō)，要想散發(fā)200W的熱量，則需要193枚翼片。 如果在“面包圈”中均等地配置翼片，那么翼片的間距約為2.8mm。因?yàn)閷?shí)際裝置中還要配置其他部件，所

40、以肯定不能向整個(gè)圓周方向進(jìn)行排氣。如果假定向整個(gè)圓周的70進(jìn)行排氣，則翼片的間距約為2mm。 綜上所述，首先通過(guò)簡(jiǎn)單的手工計(jì)算進(jìn)行粗略的設(shè)計(jì)。然后，再結(jié)合商品的性能對(duì)數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)更新“暫定”的數(shù)值，從而逐步推敲出一份最佳設(shè)計(jì)。如果利用表計(jì)算軟件等，上述計(jì)算將會(huì)十分輕松。 下面，筆者給大家介紹一下針對(duì)首款PS3實(shí)際開(kāi)發(fā)的散熱片的詳情。 首先，是散熱片的基礎(chǔ)部分。在剛才的計(jì)算中，我們將整齊排列的所有翼片的根部溫度假定為75。假設(shè)身為熱源的芯片的表面溫度為80，那么就必須以溫度下降5以內(nèi)的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個(gè)基礎(chǔ)部分。為此，PS3采用了導(dǎo)熱管（Heat Pipe）

41、。所謂的導(dǎo)熱管，是一種可傳輸熱量的銅制導(dǎo)管。兩端通過(guò)焊接進(jìn)行了密封，內(nèi)部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都聽(tīng)過(guò)這樣一個(gè)說(shuō)法，如果在富士山的頂上燒開(kāi)水，不到90就會(huì)沸騰。而導(dǎo)熱管內(nèi)部的水，由于在接近真空的環(huán)境下，所以在人體溫的溫度下就會(huì)沸騰。熱源的熱量借助因沸騰而比平時(shí)高出數(shù)倍的熱傳導(dǎo)率轉(zhuǎn)移給了水蒸汽，這些水蒸汽在導(dǎo)管中溫度較低的部分散熱，變回液體的水。通過(guò)重復(fù)這一過(guò)程，導(dǎo)熱管變得整體幾乎沒(méi)有了溫度差。就是說(shuō)，成了一個(gè)“熱傳導(dǎo)率接近于無(wú)限大的棒狀物體”。很神奇吧。 另外，在與芯片的接觸面上，沒(méi)有采用直到“PlayStation 2”一直沿用的導(dǎo)熱膜，而是采用了導(dǎo)熱油。這樣一來(lái)，接觸面的溫度

42、降幅會(huì)相差幾度。雖然成本會(huì)增高，但越是靠近熱源、熱量密度越大的部分，就越有效果，因而此次在接觸面上涂覆了導(dǎo)熱油。針對(duì)翼片的配置也下了工夫。在此次的設(shè)計(jì)思想中，風(fēng)扇葉片的前端會(huì)以高速通過(guò)散熱片的翼片近旁。如果將翼片1枚1枚地豎立著排列，也就是相對(duì)于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向垂直排列的話，葉片通過(guò)翼片的旁邊會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生“啪嗒啪嗒”的風(fēng)阻噪聲。 為了防止這種噪聲，我們使翼片相對(duì)于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向呈水平狀地進(jìn)行了橫向排列。 這樣完成的首款PS3的冷卻單元，其形狀如下方左圖所示。 如各位看到的那樣，用于將熱量轉(zhuǎn)移給空氣的冷卻翼片，環(huán)繞著風(fēng)扇周圍進(jìn)行配置。這與設(shè)計(jì)思想相吻合。如果風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，空氣便會(huì)如下方右圖箭頭所示的那樣流動(dòng)

43、。 用于從芯片底板向翼片轉(zhuǎn)移熱量的立柱，沒(méi)有采用圓柱，而是采用了扁平截面形狀的柱材。這是為了使空氣順暢地流動(dòng)。該立柱沿氣流方向設(shè)置了角度后進(jìn)行配置。在對(duì)于這種細(xì)節(jié)的研究中，充分利用了仿真技術(shù)。 包括冷卻翼片在內(nèi)的散熱片，實(shí)際上分為Cell用及RSX用的兩種。這是為了消除Cell及RSX封裝高度的誤差。散熱片可根據(jù)封裝高度進(jìn)行移動(dòng)，以避免對(duì)底板及LSI施加壓力。 受熱塊從Cell及RSX這兩個(gè)芯片接收到的熱量，通過(guò)合計(jì)5根導(dǎo)熱管以及1mm厚的鋁制芯片底板，沿水平方向擴(kuò)散。通入了3根導(dǎo)熱管的受熱塊為Cell用，通入了2根的為RSX用。 然后，沿水平方向擴(kuò)散的熱量轉(zhuǎn)移到垂直豎立的“立柱”上，并被分配

44、到插入立柱中的鋁制翼片上。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)及檢驗(yàn)，翼片的間距最終定為2.0mm。 受熱塊、芯片底板、導(dǎo)熱管及立柱在涂了焊錫膏并進(jìn)行組裝之后，要在回流爐中加熱，予以固定。覆蓋并附著在導(dǎo)熱管前端的板金部件，是防止凍結(jié)時(shí)變形的加強(qiáng)板。在包裝狀態(tài)下進(jìn)行保管時(shí)等、氣溫達(dá)到0以下時(shí)導(dǎo)熱管內(nèi)部的傳動(dòng)液會(huì)凍結(jié)，導(dǎo)管產(chǎn)生膨脹。板金部件就是用于防止這一現(xiàn)象的。板金部件安裝在包裝狀態(tài)下朝向下方的一側(cè)，也就是積水的一側(cè)。 首款PS3的散熱片設(shè)計(jì)大家覺(jué)得怎么樣？實(shí)際開(kāi)發(fā)的散熱片的整體尺寸、冷卻翼片的配置及間距等，與此前介紹的手工計(jì)算時(shí)的尺寸幾乎一致。 “手工計(jì)算能做到如此精確嗎？！”，對(duì)此感到吃驚的人應(yīng)該不在少數(shù)吧。所以

45、，手工計(jì)算也不容小覷哦。 手工計(jì)算時(shí)最重要的，并不是精度。理論上應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？現(xiàn)實(shí)相對(duì)于理論值會(huì)出現(xiàn)多大的偏差？另外，有沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的失誤？一邊堅(jiān)持不懈地去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，一邊進(jìn)行設(shè)計(jì)，這才是至關(guān)重要的。當(dāng)然，在這之后進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證，這些工作也必不可少。熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（四）：根據(jù)部件的熱性能考慮空氣流動(dòng)和配置根據(jù)需要的換氣量和通氣阻力來(lái)獲得風(fēng)扇的性能，根據(jù)主要的發(fā)熱源、即主LSI的熱設(shè)計(jì)功耗來(lái)決定散熱片的參數(shù)。不過(guò)，在裝置中還存在LSI以外的發(fā)熱源。必須對(duì)風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣氣流進(jìn)行充分控制，冷卻這些發(fā)熱源。下面來(lái)介紹一下“應(yīng)該冷卻哪些部件，為此應(yīng)該讓空氣怎樣流動(dòng)”這一基本思路以及“PS3”的

46、實(shí)例。 在中，對(duì)用于將裝置產(chǎn)生的熱量輸出到外部的風(fēng)扇的選擇方法，以及散熱片的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述。其中數(shù)學(xué)公式較多，讀起來(lái)可能會(huì)有些費(fèi)勁。 本文將對(duì)裝置內(nèi)的空氣流動(dòng)、即“氣流”進(jìn)行解說(shuō)。由于是沒(méi)有數(shù)學(xué)公式及數(shù)值的概念性內(nèi)容，因此大家應(yīng)該能夠輕松閱讀。 在裝置內(nèi)部，除了微處理器（CPU）及圖形處理LSI（GPU）以外，還有很多需要冷卻的部件。比如，印刷線路板上的電路類部件、電源組件內(nèi)的電源類部件、光驅(qū)的光學(xué)部件以及硬盤（HDD）等。 裝置內(nèi)的部件多種多樣。既有耐熱性強(qiáng)的部件，也有耐熱性差的部件。既有大量發(fā)熱的部件，也有不怎么發(fā)熱的部件。 為了有效使用從外部吸入的空氣來(lái)充分冷卻這些部件，必須要注意裝

47、置內(nèi)的氣流及各部件的配置問(wèn)題。 即便對(duì)裝置而言是最惡劣的使用條件，也要確保各個(gè)部件處于允許溫度以下的環(huán)境中。這便是熱設(shè)計(jì)的必要條件。 雖然實(shí)際上會(huì)相對(duì)于允許溫度留出數(shù)的富余量，但如果有某些部件無(wú)謂地過(guò)度冷卻，那也會(huì)是一個(gè)問(wèn)題。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是形成了無(wú)謂的空氣流動(dòng)。這樣做不僅噪音會(huì)變大，而且還容易積累灰塵。 可以說(shuō)，“如何以最低限度的空氣量來(lái)完成冷卻”是熱設(shè)計(jì)技術(shù)人員展示本事的地方。設(shè)計(jì)時(shí)需要使吸入的空氣充分發(fā)揮作用，避免涼爽的空氣直接從排氣口排放出來(lái)。 站在將熱量高效地排出到外部的觀點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，“使加熱至接近允許溫度極限的空氣從排氣口慢慢排放出來(lái)”是熱設(shè)計(jì)的理想形態(tài)。 在對(duì)氣流進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首

48、先必須要考慮的是“哪些部件必須要冷卻”。可根據(jù)以下三個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)行選擇。允許溫度低的部件 熱密度高的部件 在形狀上難以冷卻的部件。 首先來(lái)看一下允許溫度低的部件。裝置內(nèi)的各種部件的允許溫度各不相同。比如“PlayStation 3”使用的部件中，允許溫度低的部件以光驅(qū)磁頭及硬盤為代表。一般而言，這些部件的耐熱溫度大多在60左右。 因此這些部件必須配置在流動(dòng)空氣的溫度較低區(qū)域，即涼爽的地方。接下來(lái)說(shuō)一下熱密度高的部件。即使是發(fā)熱量大的部件，只要尺寸夠大，利用周圍的風(fēng)也可充分冷卻，有些時(shí)候并不需要采取特別的對(duì)策。而在發(fā)熱量只有數(shù)W，但尺寸在10mm以下等熱密度較高時(shí)，不做任何處理的話有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)意想不

49、到的高溫。 確定了應(yīng)該冷卻的部件之后，便可進(jìn)入考慮氣流配置的工作環(huán)節(jié)。這時(shí)需要注意的是空氣的溫度及流速等會(huì)因位置不同而異。利用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制空氣冷卻的裝置從吸氣口吸入涼爽的外部空氣，在對(duì)裝置內(nèi)部進(jìn)行冷卻之后，從排氣口將變熱的空氣排出。吸入裝置內(nèi)部的空氣一邊從裝置內(nèi)的各個(gè)部分吸取熱能量，一邊在機(jī)殼內(nèi)行進(jìn)，因此空氣的溫度會(huì)從氣流上游到下游逐步上升。 上游的涼爽空氣具有較高的冷卻能力。而下游的熱空氣就沒(méi)有多少冷卻能力了。因此，應(yīng)該盡量將必須要充分冷卻的部件及耐熱較低的部件配置在上游。 空氣流量會(huì)受到機(jī)殼設(shè)計(jì)的影響，并不是固定的。比如可嘗試采用由多個(gè)吸氣口吸氣，用一個(gè)風(fēng)扇鼓風(fēng)，然后由排氣口排出的流路。

50、如果是下圖這樣的氣流的話，分散的各個(gè)吸氣口當(dāng)然只會(huì)吸入一部分空氣。但在風(fēng)扇前后方，流過(guò)裝置內(nèi)部的空氣會(huì)全部集合在一起。也就是說(shuō)，空氣的流量會(huì)因位置不同而異。 熱密度高的部件以電源類的功率元件及FET為代表。此外圖像處理LSI也意外地?zé)崦芏容^高，因此需要嚴(yán)加注意，不要漏掉。 這些部件的發(fā)熱量絕對(duì)值較小，只配備少許散熱片，或者使之與周圍的金屬板部件接觸，即可輕松降低溫度。 另外，這些部件本身也大多以需要冷卻對(duì)策為前提。通常都具備帶有散熱片安裝孔的冷卻板，或者使熱量釋放至底板的引腳等。最后來(lái)看一下形狀上難以冷卻的部件。 裝置中配備有多種形狀的部件。表面封裝IC等平坦形狀的部件容易采取在表面上安裝散熱

51、片，或者使之與金屬板部件接觸的對(duì)策。 而線圈及變壓器之類的部件沒(méi)有表面能夠用于輕松接觸，只能直接用風(fēng)來(lái)進(jìn)行冷卻。因此這些部件通常配備在空氣流動(dòng)量較大的地方或者風(fēng)速較高的地方。 當(dāng)然，流量大的話便可充分進(jìn)行冷卻。流量增加1倍的話，冷卻能力也會(huì)增加1倍。 另外，空氣的流速在風(fēng)扇的上游和下游有所不同，而且還會(huì)因?yàn)榱髀方孛婷娣e的不同而異。 一般而言，由風(fēng)扇吸引形成的上游空氣的流速上較慢，而由風(fēng)扇推壓形成的下游空氣則較快。而且流路的截面面積也大多會(huì)因位置的不同而各異。在截面面積大的位置上流速就會(huì)變慢，而在截面面積狹窄的位置上則會(huì)變快。 流速當(dāng)然也是越快的話就越能夠充分冷卻。但即使流速增加1倍，冷卻能力也

52、只能增加0.4倍。 風(fēng)扇在鼓風(fēng)的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生壓力。風(fēng)扇下游的氣壓高于大氣壓，會(huì)產(chǎn)生正壓，風(fēng)扇上游的氣壓低于大氣壓，會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。這樣的話，如果正壓區(qū)域與負(fù)壓區(qū)域的分界線上存在間隙的話，空氣就會(huì)從正壓區(qū)域流向負(fù)壓區(qū)域。風(fēng)扇排出的空氣必須與熱能量一起全部徹底地排出機(jī)殼外部。空氣在內(nèi)部循環(huán)的話會(huì)使風(fēng)扇做無(wú)用功。 這樣就需要在正壓與負(fù)壓的分界部分用海綿材料等徹底隔開(kāi)，以防止泄漏。采用離心式風(fēng)扇等高靜壓風(fēng)扇的裝置時(shí)尤其要注意這一點(diǎn)。 概念性的內(nèi)容先說(shuō)到這里，下面來(lái)介紹一下PS3初期機(jī)型的冷卻過(guò)程。PS3主要通過(guò)三個(gè)途徑來(lái)吸氣，集中到風(fēng)扇的空氣穿過(guò)散熱片后排出。耐熱溫度低的光驅(qū)和硬盤配置在最上游的涼爽空氣區(qū)

53、域。熱密度高的部件及難以冷卻的部件較多的電源組件配置在空氣溫度較低，空氣流量差不多即可的風(fēng)扇緊前方，原因是光驅(qū)本身的發(fā)熱量很少，空氣溫度幾乎不會(huì)上升。 CPU“Cell”和GPU“RSX”的散熱片配置在風(fēng)扇的緊后方，這是為了高速流過(guò)全部空氣來(lái)提高散熱效果。 底板上封裝的、需要冷卻的零散部件通過(guò)使之與1mm厚的鋁板制框架接觸來(lái)統(tǒng)一冷卻。因?yàn)橐粋€(gè)個(gè)逐一安裝散熱片的話，部件數(shù)量太多。 另外，機(jī)殼也是需要冷卻的重要部件，因?yàn)楸砻鏈囟纫?guī)定有標(biāo)準(zhǔn)值。PS3通過(guò)使吸入的涼爽空氣流過(guò)內(nèi)部部件與機(jī)殼外裝之間的間隙來(lái)進(jìn)行冷卻。從上圖可以看出，風(fēng)扇配置在了流路的中心位置。這是對(duì)之前所說(shuō)過(guò)的“泄漏”必須加以注意的典

54、型范例。通過(guò)仔細(xì)堵住全部間隙，防止了泄漏。下面對(duì)PS3初期機(jī)型的內(nèi)部氣流做進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。為了不讓氣流從電源組件的外部穿過(guò)，在外裝的內(nèi)側(cè)設(shè)置了海綿制成的隔斷部件。 接下來(lái)的這張圖是從底面觀看時(shí)的狀態(tài)。對(duì)電源組件進(jìn)行冷卻后的空氣從左側(cè)開(kāi)孔處流出來(lái)進(jìn)入一層，然后直接流入風(fēng)扇。 流向風(fēng)扇底面的流入口的空氣還會(huì)對(duì)機(jī)殼底面進(jìn)行冷卻，可防止散熱片的熱量使機(jī)殼表面變熱。這相當(dāng)于路徑二。 裝置前側(cè)的檐下部分也有很多吸氣口。由此吸入的空氣流入主板下面與下側(cè)框架的間隙對(duì)底板進(jìn)行冷卻，然后由風(fēng)扇位于底板一側(cè)的流入口吸入。這里也設(shè)置了海綿制成的隔斷部件，以防止氣流未對(duì)底板進(jìn)行冷卻而直接流入風(fēng)扇。用于冷卻硬盤的空氣由

55、左側(cè)面的專用吸氣口吸入。利用剛剛吸入的涼爽空氣冷卻硬盤后再用以冷卻主板，然后由風(fēng)扇位于底板一側(cè)的流入口吸入。這相當(dāng)于路徑三。 最后來(lái)看一下排氣口周圍的狀況。由于從散熱片流出的空氣具有正壓，因此需要使排氣口周圍與排氣口緊密貼合起來(lái)。不然的話，排出的空氣就會(huì)泄漏到外裝的內(nèi)側(cè)。 由于這是氣流的壓力、流量及流速最高的部分，因此必須要注意采取防泄漏對(duì)策。 PS3初期機(jī)型的熱設(shè)計(jì)就介紹到這里。從上述圖中可以看出，空氣路徑較多。由于通氣阻力較高，因此風(fēng)扇需要具有可產(chǎn)生高靜壓的能力。而且還使用了非常多的隔斷部件。這些都是PS3初期機(jī)型要改善的地方。 下一回將介紹2009年上市的新款PS3是如何提高熱設(shè)計(jì)的。厚

56、度和重量各減至約2/3的新款PS3，其內(nèi)部又是什么樣的呢？熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（五）新款PS3的薄型化，要求重新設(shè)計(jì)冷卻機(jī)構(gòu)“PlayStation 3”的冷卻機(jī)構(gòu)在2009年上市的新款機(jī)型上作了大幅更新。這是因?yàn)椋碾姷臏p少帶來(lái)熱設(shè)計(jì)的前提條件出現(xiàn)了變化，另外實(shí)現(xiàn)殼體的薄型化也需要調(diào)整冷卻機(jī)構(gòu)。但索尼計(jì)算機(jī)娛樂(lè)公司表示，熱設(shè)計(jì)的基本思路從首款開(kāi)始從未改變過(guò)。作為本系列連載的最終篇，筆者將為我們介紹新款PS3的冷卻機(jī)構(gòu)是怎樣變化的。 索尼計(jì)算機(jī)娛樂(lè)于2009年9月推出了新款“PlayStation 3”（PS3，型號(hào)為“CECH-2000A”）。這種新款PS3的耗電量減少到了首款機(jī)型的約2/3。為此索尼更新了包括冷卻機(jī)構(gòu)在內(nèi)的全部設(shè)計(jì)，外觀設(shè)計(jì)也變更為新穎的薄型設(shè)計(jì)。在連載的最終回，本文將就新款PS3中的熱設(shè)計(jì)升級(jí)換代情況作一紹介。 首款PS3的設(shè)計(jì)具有490W的熱處理能力，而耗電量比以前下降的新款PS3則按照230W的熱處理能力重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 負(fù)責(zé)冷卻PS3的主要LSI“Cell”及“RSX”的散熱片，首款機(jī)型按照熱處理能力為200W進(jìn)行設(shè)計(jì)，而新款則按照112W進(jìn)行設(shè)計(jì)。 讓我們來(lái)看看新款PS3的內(nèi)部布