熱設(shè)計基礎(chǔ)：熱即是“能量”,一切遵循能量守恒定律_圖文

1、【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律2010/08/16 00:00 在開發(fā)使用電能的電子設(shè)備時，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法冷卻”，估計很多讀者都會有這樣的經(jīng)歷。如果參與產(chǎn)品開發(fā)的人員在熱設(shè)計方面能夠有共識，便可避免這一問題。下面舉例介紹一下非專業(yè)人士應(yīng)該知道的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識。 “直徑超過13cm，體積龐大，像換氣扇一樣。該風(fēng)扇可獨立承擔(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）拆解報道中的一句話?？催^P

2、S3內(nèi)像“風(fēng)扇”或“換氣扇”一樣的冷卻機構(gòu)，估計一定會有人感到驚訝。 “怎么會作出這種設(shè)計？” “這肯定是胡摸亂撞、反復(fù)嘗試的結(jié)果?！?“應(yīng)該運用了很多魔術(shù)般的最新技術(shù)?！?“簡直就是胡來” 大家可能會產(chǎn)生這樣的印象，但事實上并非如此。 PS3的冷卻機構(gòu)只是忠實于基礎(chǔ)，按照基本要求累次設(shè)計而成。既沒有胡摸亂撞，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”呢？是否認(rèn)為像下圖一樣，是“一個接著一個采取對策”的工作呢？其實，那并不能稱為是“熱設(shè)計”，而僅僅是“熱對策”，實際上是為在因熱產(chǎn)生問題之后，為解決問題而采取的措施。 如果能夠依靠這些對策解決問題，那也罷了。但是，如果在產(chǎn)品設(shè)計

3、的階段，其思路存在不合理的地方，無論如何都無法冷卻，那么，很可能會出現(xiàn)不得不重新進行設(shè)計的最糟糕的局面。 而這種局面，如果能在最初簡單地估算一下，便可避免發(fā)生。這就是“熱設(shè)計”。正如“設(shè)計”本身的含義，是根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)來構(gòu)想應(yīng)采用何種構(gòu)造，然后制定方案。也可稱之為估計“大致熱量”的作業(yè)。 雖說如此，但這其實并非什么高深的話題。如果讀一下這篇連載，學(xué)習(xí)幾個“基礎(chǔ)知識”，制作簡單的數(shù)據(jù)表格，便可制作出能適用于各種情況的計算書，甚至無需專業(yè)的理科知識。第1章從“什么是熱”這一話題開始介紹。大家可能會想“那接下來呢”？不過現(xiàn)在想問大家一個問題。熱的單位是什么？ 如果你的回答是“”，那么希望你能讀一下

4、本文。熱是能量的形態(tài)之一。與動能、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1m，使1g的水溫度升高0.24。 設(shè)備會持續(xù)發(fā)熱。像這樣，熱量連續(xù)不斷流動時，估計用“每秒的熱能量”來表示會更容易理解。單位為“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。 不只是熱量，所有能量都不會突然生成，也不會突然消失。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1m。使該“物體移動”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物體時，能量會以位能的形態(tài)保存在物體中。使用能量使物體加速運動時，則以動能的

5、形態(tài)保存在物體中。 100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24。這并不是通過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。如上所述，能量無論在何處都一定會以某種形態(tài)保存起來。能量既不會憑空消失，也絕不會憑空產(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！能量會流動，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問題。是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過是根據(jù)能量的多少表現(xiàn)出來的一種現(xiàn)象。即使能量相同，如果集中在一個狹窄的空間內(nèi)，溫度就會升高，而大范圍分散時，溫度就會降低。PS3等電器產(chǎn)品也完全遵守能

6、量守恒定律。從電源插頭流入的電能會在產(chǎn)品內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能，然后只會向周圍的物體及空氣傳遞。接通電源后一段時間內(nèi)，多半轉(zhuǎn)換的熱能會被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量僅為少數(shù)。之后，裝置溫度升高一定程度時，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會無止境上升。很多人會認(rèn)為，“熱設(shè)計是指設(shè)計一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機構(gòu)”。 就像前面指出的那樣，說是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產(chǎn)生熱能。說是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。 如左圖所示,熱設(shè)計是指設(shè)計一種“將W的能量完全向外部轉(zhuǎn)移的機構(gòu)”，其結(jié)果是可達(dá)到“以下”。大家首先要有一個正確的認(rèn)識！ 下面看一下熱傳遞的方式。 熱能傳遞只有3種方式

7、。分別為“傳導(dǎo)”、“對流”及“熱輻射”。請注意，傳導(dǎo)與對流表面文字相似，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。 如果用一句話來表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1時，會流動多少W”。如果將其單位“W/（m·）”寫成 大家是不是立刻就明白了呢？對流是指熱能通過與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請大家聯(lián)想一下吃熱拉面

8、時的情景。用嘴吹一下，拉面就會變涼。那就是利用熱對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，自然對流就為（2.35.8）×100，受迫對流就為（1.25.8）×1000，水沸騰時就為（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，會從該面?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、流速及流動方向等，數(shù)值會發(fā)生變化。因

9、此，計算傳熱系數(shù)的公式會根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。 比如，有一個溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動空氣時（受迫對流），可用左圖的公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點。 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，流動的距離越長，傳熱系數(shù)越低 在冷卻面上流動的空氣吸熱后，會在溫度上升的同時繼續(xù)流動，因此冷卻能力會越來越弱 總之，冷卻熱的物體時，與使用強風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴大散熱面，使整體通風(fēng)的方法更有效。 下面介紹一下自然對流的情況?？諝庾匀粚α鲿r的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。這里出現(xiàn)兩個新詞，分別為“姿勢系數(shù)”和“代表長度”。

10、這些是根據(jù)面的形狀及設(shè)置方向定義的。右圖分別顯示了垂直和水平設(shè)置平板時的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢系數(shù)及代表長度。 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，會感到溫暖。這就是熱輻射。太陽的熱量穿過真空宇宙到達(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)值來表示，其數(shù)值范圍為01。理論上來講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.050.5，鐵為0.60.9，黑色樹脂為0.80.9。這就是熱輻射率（沒有單位）。 此處公開的公式是一個近似式，用于計算設(shè)置在空氣中的物體向周圍的空氣進行

11、輻射時傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時，可利用該公式準(zhǔn)確計算出結(jié)果。 熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計算出“從表面溫度為的方形箱體表面會向空氣中釋放多少W的熱量”。 至此，總結(jié)了“熱設(shè)計的3條基礎(chǔ)知識”。不論是感覺“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，一點一點仔細(xì)設(shè)計非常重要。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，估計一下實際設(shè)備的大小，然后試著計算從該箱體的表面會釋放出多少熱量。假設(shè)將大小與第一代PS3幾乎相同（325mm×275mm×100

12、mm）的方形箱體豎著放置，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，在其內(nèi)部生成的不對，應(yīng)該是在箱體內(nèi)部由電轉(zhuǎn)換為熱量的能量，從箱體的表面通過熱對流及熱輻射的方式向外部轉(zhuǎn)移。另外，估計設(shè)備表面與外部接觸的部分只有小橡膠底座，因此不會通過熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量。 并且，暫不考慮散熱片設(shè)計情況及處理器的溫度。這里僅針對箱體大小、表面情況及外部溫度

13、決定的能量進出收支計算。 會是多少W呢？第一代PS3的最大發(fā)熱量為380W。試想一下，其中來自外殼表面的散熱會是多少？ 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時的數(shù)值。實際上，外殼的表面溫度分布不均，只有一部分為溫度60。估計大部分無法達(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。估計現(xiàn)實中會更少。 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?，這就是現(xiàn)實。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制釋放出來。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。（特約撰稿人：鳳 康宏，索尼計算機

14、娛樂設(shè)計公司2部5課課長）【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（二）風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定2010/08/17 00:00 上接本站報道： 【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律與PS3同等大小的箱體所產(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)知識的第一篇文章中已經(jīng)介紹過。有時必須利用某些手段強制性地排出剩余熱能。此時，電子產(chǎn)品中使用的是專門用來在產(chǎn)品內(nèi)外進行換氣的風(fēng)扇。該風(fēng)扇根據(jù)能量的收支計算來決定。下面將介紹如何選擇風(fēng)扇。 在講解熱傳遞基礎(chǔ)知識的本連載第一篇文章中得知，與第一代“PlayStation 3”（PS3）大小（325mm×275mm

15、15;100mm）基本相同的方形箱體表面，“最多只能散熱30W左右”。而事實上，有許多人無法認(rèn)同這種解釋。他們的觀點大致有以下三種。 “好像有輻射特性非常出色的涂料？” “外殼全部采用鋁！” “如果采用水冷方式的話，可以進一步減小尺寸？” 在進入正題之前，我們先就這些觀點進行探討。 首先是“魔術(shù)涂料”。實際上，的確有一種可以提高表面輻射率的涂料。那么，我們將在上次計算中為0.8的輻射率，改為理論最高值1.0進行計算。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”可成為強有力的幫手，但也并不是將散

16、熱量增至兩倍或三倍。 “外殼全部采用鋁！多花成本也無所謂！”這樣的話對于我這樣的機械愛好者真是求之不得然而，這種想法的出發(fā)點應(yīng)該是“均勻外殼表面的溫度，從整個表面進行散熱”吧。這種情況下的答案顯而易見。上章中，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，散熱量估計為33W。假設(shè)外殼表面完全沒有溫度分布，整個表面均為60，那么不打“六折”，散熱量約為55W。 那么，反過來算一下，要想通過外殼表面散熱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，同時沒有溫度分布！在這種條件下進行計算，得到的結(jié)果竟然是115。這種溫度豈止是摸上去會不會導(dǎo)致燒傷的問題！這種游戲機

17、太不安全了，無法銷售。 “如果采用水冷方式的話，將可以很好地降溫”。許多人都有這種簡單的想法。確實，自來水是比較涼。如果從自來水的水龍頭開始拉長水管連接到產(chǎn)品上的話，肯定可以很好地降溫。但是，不能這么做吧。 冷卻機構(gòu)基本上由三個要素構(gòu)成。 1 受熱部：承受發(fā)熱源的熱量 2 傳熱部：將熱量從受熱部傳遞到散熱部3 散熱部：將熱量傳遞到大氣中 水冷是指經(jīng)由水進行熱傳遞。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發(fā)生變化。另外，如果采用水冷方式，就需

18、要泵和配管，這樣一來冷卻機構(gòu)的體積就會變大。 水冷可以在下列幾種情況中發(fā)揮作用。汽車的發(fā)動機（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 ?由于總發(fā)熱量較多、散熱部非常大，因此希望將熱量擴散到散熱部的各個角落 ?發(fā)熱源較多，希望通過一個散熱部統(tǒng)一進行散熱 至此，各位讀者心中已經(jīng)有一個大致的答案了吧。即使運用各種方法，也無法從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，如果整個裝置的發(fā)熱量為100W，則剩余的70W必

19、須通過“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，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行計算后得知，需要毎秒2.7L（毎分0.162m3）的空氣。即便只是想象一下，也是個很大的量啊。該風(fēng)量無法通過自然換氣排出來，稍后將會詳細(xì)地進行介紹。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，在實際的產(chǎn)品開發(fā)中，很難按照理論值進行。會使用稍多的流量。換言之，“能夠以盡量接近理論值的較少的空起量進行冷卻”將決定冷卻設(shè)計的優(yōu)劣。如何減少未發(fā)揮作用而白

20、白通過的空氣，將成為顯示技術(shù)實力的關(guān)鍵。此處將介紹在本連載中今后會用到的便捷工具。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 請想象一下有吸氣口和排氣口的裝置?？諝鈴奈鼩饪谶M入后，會在裝置內(nèi)流動，然后從排氣口出來。此時，裝置中塞滿了部件，因此會阻礙空氣流動。如果在吸氣口施加低靜壓，會有少量空氣流動起來，如果施加高靜壓則會有大量的空氣流動起來。這是當(dāng)然的。如果將這種關(guān)系用圖表來表示，會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，會有多少空氣會流動起來”。一般稱為“系統(tǒng)阻抗” （System Impedanc

21、e）。 風(fēng)扇的性能特性 當(dāng)被問及“該風(fēng)扇的性能如何”時，如果可以用“10馬力”等一個數(shù)值來表達(dá)就好了，但卻不能這么做。這是因為，即便是同一個風(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起來，如果安裝在阻力較小的箱體上，則可以使更多的空氣流動起來。 將這種關(guān)系用圖表來表示的話，會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，會使多少空氣流動起來”。一般稱為“風(fēng)扇的P-Q特性”。 工作點 那么，在裝置中安裝風(fēng)扇時，會產(chǎn)生多大的靜壓、流動多大的流量？表示該答案的就是和的交點工作點。 在對強制進行空氣冷卻的產(chǎn)品進行設(shè)計，最先決定的是風(fēng)扇的種類和大小。風(fēng)扇的種類和

22、大小先于散熱片（散熱板）和微細(xì)內(nèi)部構(gòu)造進行決定，這也許會讓部分讀者覺得意外。更準(zhǔn)確的說，是已經(jīng)被決定了。 風(fēng)扇有多種型號，P-Q特性線的斜率會因種類而發(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。特點是靜壓低、風(fēng)量大?！癙layStation 2”（PS2）中采用了這種型號的風(fēng)扇。 離心式風(fēng)扇：這是一種利用離心力引起空氣流動的風(fēng)扇。風(fēng)從圓周方向排出。特點是靜壓稍高、風(fēng)量稍少。PS3中采用的風(fēng)扇就是這種型號。 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。特點是風(fēng)量超大

23、、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。 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)量和靜壓也會發(fā)生變化。如果都變大的話，P-Q特性線就會偏向右上方。下面將把各種風(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，靜壓越來越高。作為參考，還加入了機械式壓縮機的數(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為例來介紹風(fēng)扇的選擇方法

24、。首先，估計所需的換氣量。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，需要毎分鐘1.1m3的換氣量。然后，估計系統(tǒng)阻抗。雖然只是“估計”，但實際上并不能通過紙上計算輕松地得出結(jié)果。對類似的機型進行測量，或者試制樣機進行實驗，這樣更快吧。 從結(jié)論來看，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行排氣的筆直流路。而PS3則是從多處吸氣，對多處進行冷卻，然后冷卻電源，在外殼內(nèi)轉(zhuǎn)換方向從二層降到一層，對散熱片進行冷卻后排氣

25、。由于流路長而復(fù)雜，因此空氣阻力較大。這時就需要可以解決這個問題的高靜壓風(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PS3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，

26、本文一直強調(diào)，“如果不用風(fēng)扇，這些風(fēng)量不會流動起來”。果真如此嗎？肯定會有人持有這樣的疑問，“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，空氣就會膨脹。也就是說，如果體積相同，熱空氣會變輕。較輕的空氣被較重的空氣推開，然后上升。這就是自然對流。如果用墻壁將又熱又輕的空氣包圍起來，敞開上下面，可進一步地促進自然對流。這就是煙囪效應(yīng)。 那么，如果假設(shè)整個產(chǎn)品外殼是煙囪，則可獲得多大的流量呢？假設(shè)是一個大小與PS3基本相同的方形箱體，將其上面和下面全都敞開。然后求出此時因煙囪效應(yīng)而產(chǎn)生的靜壓。 40的空氣密度為1.128kg/m3，60的

27、空氣密度為1.060kg/m3?？諝饷芏戎畛艘酝鈿じ叨群?，得知靜壓為0.022kg/m2（0.216Pa）。 我們根據(jù)該靜壓來推算風(fēng)量。因為有第一代PS2的系統(tǒng)阻抗測定值，因此可以使用。 當(dāng)施加通過煙囪效應(yīng)獲得的0.216Pa靜壓時，流入第一代PS2的風(fēng)量僅為毎分鐘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這個數(shù)值完全不夠！即使將整個產(chǎn)品外殼做成煙囪，也無望通過煙囪效應(yīng)進行換氣。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。 姑且進行試制或

28、姑且實現(xiàn)模塊化進行模擬，如果未能冷卻再安裝風(fēng)扇，這種開發(fā)方式無法制成出色的產(chǎn)品，而且會耗費開發(fā)時間。首先動手計算，搞清楚能量收支與風(fēng)扇的必要性，才是合理的設(shè)計捷徑。（特約撰稿人：鳳 康宏索尼計算機娛樂公司設(shè)計2部5課課長） 【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（三）散熱片設(shè)計的基礎(chǔ)是手工計算2010/09/01 00:00 打印 E-mail 在上一章里，確定了用于平衡整個裝置能量收支的風(fēng)扇種類。本文將以此為前提來設(shè)計散熱片。從求出熱傳導(dǎo)率及散熱量的公式來考慮即可得知，散熱片（Heat Sink）的大概性能可通過簡單的手工計算來求得。下面將結(jié)合首款PS3的實例，證實手工計算得出的結(jié)果與實際裝置上采用的散熱片

29、的驚人一致之處。 在【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（二）風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定一文中曾提到整個裝置中的熱能收支是相互吻合的。下面，開始介紹散熱片的設(shè)計。想讓滾燙的拉面涼下來時，大家會怎么做？一般會呼呼地吹氣，對吧？這是利用了【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 中介紹的“熱傳導(dǎo)”原理的冷卻方法。這個時候，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來呢？ 熱傳導(dǎo)實現(xiàn)的散熱量公式如下： 通過熱傳導(dǎo)實現(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，無法改變。然而，如果增加散熱面積，就能增加

30、散熱量。如果將用筷子夾起的面條攤開，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。 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)熱源的熱量擴散到面積較大的翼片（葉片）上，然后通過熱傳導(dǎo)將熱量轉(zhuǎn)移給空氣，這就是散熱片的功能。 讓我們來復(fù)習(xí)一下計算散熱量時一定會用到的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率會隨著散熱面的放置方式而發(fā)生變化。強制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過時，熱傳導(dǎo)率的計算式如下。 也就是說，與散熱量相關(guān)的變量有以下4個。1 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)常會看到由多枚很薄的翼

31、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。2 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。 3 流速：流速提高，則熱傳導(dǎo)率也提高。不過，即使流速增加1倍，熱傳導(dǎo)率只增加0.4倍，也就是說，散熱量只會增加0.4倍。 4 氣流方向的長度：該長度越短，則熱傳導(dǎo)率越高。這是因為，在氣流方向的下游空氣溫度會上升，而冷卻能力則會下降。在相同面積的翼片上，如果在氣流方向上以長度較短、而橫向較寬的方式配置散熱片，則散熱量增大。 下面，讓我們來計算一下散熱片的散熱能力

32、。如右圖所示，在80的散熱板上，讓40的空氣平行流過的強制空冷散熱片時的實例。 從散熱面散發(fā)出的熱量達(dá)到了2.44W。因為每枚翼片都有正反兩面，所以，應(yīng)該有2倍的4.88W熱量從翼片散發(fā)出來。 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行的計算，但實際上不可能整個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略微下降。因此，散熱量會小于上述的4.88W。例如，會減小到70或者85。 隨著翼片內(nèi)部溫度分布的不同，散熱量會降低到翼

33、片整體為均一溫度時的百分之幾，我們將這個百分?jǐn)?shù)稱為“翼片效率”。翼片效率可通過翼片的熱傳導(dǎo)率及尺寸進行計算。 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，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。大家可以利用表計算軟件等，試著改換多種變量來計算一下。這樣就能切實感受到采用什么樣的翼片時會散發(fā)多少熱量。 下面，讓我們用以上介紹的計算方法來設(shè)計第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。不過，在此之前必須有設(shè)計思想。設(shè)計是一門藝術(shù)，解不會是只有一個?；?/p>

34、什么樣的想法、設(shè)計成什么形狀，這些都必需在設(shè)計之初確定下來。否則的話，要么會中途迷失方向，誤入歧途，從而求不出答案；要么最終得到一個修修補補、東拼西湊出來的設(shè)計。 筆者在確定設(shè)計思想時，只想一個問題：“什么樣的設(shè)計才是最理想的？”。我覺得，重要的是拋棄根據(jù)晦澀難懂的專業(yè)知識及經(jīng)驗得出的成見，單刀直入地考慮問題。 首先，我們來考慮“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，在氣流方向上長度要短，在氣流的橫向上要寬，這是最理想的。這樣才能使熱量擴散到產(chǎn)生氣流的整個區(qū)域。這與上一章介紹的“消除那些不做功而白白流過的空氣”這一目的相吻合。在上一章，我們決定在首款PS3上采用

35、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行排氣。如果在這一氣流發(fā)生的整個區(qū)域薄薄地配置上散熱片的話。那就會形成像面包圈一樣的形狀?！皩﹄x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)計思想，設(shè)計出了PS3的散熱片。 接下來，讓我們來確定散熱片設(shè)計的前提條件吧。首先是流速。根據(jù)裝置整體熱收支的計算，風(fēng)扇的性能指標(biāo)被確定下來。根據(jù)該數(shù)值可以計算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時的流速為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。氣流方向的長度暫且假設(shè)為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200m

36、m。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，翼片的根部溫度會低幾度，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，我們設(shè)定得比40的環(huán)境溫度高一些。這是因為，空氣從吸氣口進來之后，先對產(chǎn)品內(nèi)的各部位進行冷卻，然后才會到達(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LSI。在此，我們將其合在一起作為1個芯片進行計算。雖然Cell及RSX的耗電量沒有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計200W。 利用以上條件，就可以通過前面列舉的計算式來計算“需要幾枚翼片”

37、。 因為翼片的尺寸為30mm×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）。翼片效率為88，因此，實際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說，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。因為實際裝置中還要配置其他部件，所以肯定不能向整個圓周方向進行排氣。如果假定向整個圓周的70進行排氣，則翼片的間距約為2mm。綜上所述，首先通過簡單的手工計算進行粗略的設(shè)計。然后，再結(jié)合商品的性能對數(shù)值進行微調(diào)，或者通過實驗來更新“暫定”的數(shù)值，從而逐步推敲出一

38、份最佳設(shè)計。如果利用表計算軟件等，上述計算將會十分輕松。下面，筆者給大家介紹一下針對首款PS3實際開發(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”的整個基礎(chǔ)部分。為此，PS3采用了導(dǎo)熱管（Heat Pipe）。所謂的導(dǎo)熱管，是一種可傳輸熱量的銅制導(dǎo)管。兩端通過焊接進行了密封，內(nèi)部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都聽過這樣一個說法，如果在富士山的頂上燒開水，不到90就會沸騰。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

39、下就會沸騰。熱源的熱量借助因沸騰而比平時高出數(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。通過重復(fù)這一過程，導(dǎo)熱管變得整體幾乎沒有了溫度差。就是說，成了一個“熱傳導(dǎo)率接近于無限大的棒狀物體”。很神奇吧。 另外，在與芯片的接觸面上，沒有采用直到“PlayStation 2”一直沿用的導(dǎo)熱膜，而是采用了導(dǎo)熱油。這樣一來，接觸面的溫度降幅會相差幾度。雖然成本會增高，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。 針對翼片的配置也下了工夫。在此次的設(shè)計思想中，風(fēng)扇葉片的前端會以高速通過散熱片的翼片近旁。如果將翼片1枚1枚地豎立著排列

40、，也就是相對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向垂直排列的話，葉片通過翼片的旁邊會導(dǎo)致產(chǎn)生“啪嗒啪嗒”的風(fēng)阻噪聲。 為了防止這種噪聲，我們使翼片相對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向呈水平狀地進行了橫向排列。 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)扇周圍進行配置。這與設(shè)計思想相吻合。如果風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，空氣便會如下方右圖箭頭所示的那樣流動。 用于從芯片底板向翼片轉(zhuǎn)移熱量的立柱，沒有采用圓柱，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。該立柱沿氣流方向設(shè)置了角度后進行配置。在對于這種細(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，實際上分為Ce

41、ll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)封裝高度進行移動，以避免對底板及LSI施加壓力。 受熱塊從Cell及RSX這兩個芯片接收到的熱量，通過合計5根導(dǎo)熱管以及1mm厚的鋁制芯片底板，沿水平方向擴散。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，沿水平方向擴散的熱量轉(zhuǎn)移到垂直豎立的“立柱”上，并被分配到插入立柱中的鋁制翼片上。經(jīng)過詳細(xì)的實驗及檢驗，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)時變形的加強板。在包裝狀態(tài)下進行保管時等、氣溫達(dá)到0以下時導(dǎo)熱管內(nèi)部的傳動液會凍結(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)計大家覺得怎么樣？實際開發(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算時的尺寸幾乎一致。 “手工計算能做到如此精