散熱設(shè)計(jì)手冊(cè)

1、.散熱、吸熱，還是絕熱重要？在這兒之前,有一個(gè)很重要的問題要問各位,您知道什么是"熱"嗎?在您選擇一項(xiàng)產(chǎn)品之前.您得先知道您用鈔票換得手中的寶貝要解決的是什么物理現(xiàn)象,千萬(wàn)別當(dāng)了冤大頭!"熱 (Heat)"是能量嗎? 嚴(yán)格來(lái)說它不算是能量,應(yīng)該說是一種傳遞能量的形式.就好象作功一樣.微觀來(lái)看,就是區(qū)域分子受到外界能量沖擊后,由能量高的分子傳遞至能量低的區(qū)域分子(就像是一種擴(kuò)散效應(yīng)),必須將能量轉(zhuǎn)嫁釋放出來(lái).所以能量的傳遞,就是熱.而大自然界最根本的熱產(chǎn)生方式,就是劇烈的摩擦(所謂摩擦生熱如是說!).從電子(量子力學(xué))學(xué)的角度而言,當(dāng)電子束滑過電子信道時(shí),

2、會(huì)因?yàn)榕c導(dǎo)線(trace)劇烈摩擦而產(chǎn)生熱,它形成一股阻力,阻止電子流到達(dá)另一端(就像汽車煞車的效果是一樣的).我們統(tǒng)稱作"廢熱". 所以當(dāng)CPU的速度越高,表示它的I/O(Input/Output)數(shù)越高,線路布局越復(fù)雜.就好比一塊同樣面積的土地上.您不斷的增加道路面積;不斷的膨脹車流量,下場(chǎng)是道路越來(lái)越窄,而車子越來(lái)越多,不踩煞車,能不出車禍嗎?當(dāng)然熱量越來(lái)越高.信不信,冷颼颼的冬天,關(guān)在房里打計(jì)算機(jī),你會(huì)愛死它,又有得殺時(shí)間,又暖和!只是不巧,炎炎夏日又悄悄的接近了"傳熱(Heat Transfer)":既然說熱是一種傳遞能量的形式.那就不能不談傳

3、遞的方法了.總的來(lái)說整個(gè)大自然界能量傳遞的方式被我們聰明的老祖先(請(qǐng)記住.熱力學(xué)Thermal Dynamic是古典力學(xué)的一種!)概分為三種,接下來(lái)我用最淺顯易懂的方式分別介紹這門神功的三大基本奧義讓各位知道:1.)熱傳導(dǎo)(Conduction)物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時(shí),能量傳遞的最基本形式(這里所說的物質(zhì)包括氣體,液體,與固體).當(dāng)然氣體與液體(我們統(tǒng)稱為流體)本身因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不似固體緊密.我們又有另外一個(gè)專有名詞來(lái)形容它,叫做熱擴(kuò)散(Diffusion).若諸位看官真有興趣的話,不妨把下面的公式熟記,對(duì)以后您專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成,抑或是將來(lái)更深入的技術(shù),探討彼此的溝通都非常有幫助(這可是入門的第

4、一招式,千萬(wàn)別放棄您當(dāng)專業(yè)消費(fèi)者的權(quán)益了!).另外,為了避免您一開始走火入魔,請(qǐng)容我先將所有的單位(Unit)都拿掉.Q = K*A*T/L其中Q為熱量;就是熱傳導(dǎo)所能帶走的熱量.K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)值(Conductivity);請(qǐng)記住,它代表材料的熱傳導(dǎo)特性,就像是出生證明一樣.若是純銅,就是396.4;若是純鋁,就是240;而我們都是人,所以我們的皮膚是0.38,記住! 數(shù)值越高,代表傳熱越好.(詳細(xì)的材料表我將于日后擇篇幅再補(bǔ)述!)A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積.)T代表兩端的溫度差;L則是兩端的距離.讓我們來(lái)看一下圖標(biāo),更加深您的印象!熱傳導(dǎo)后溫度分布銅材的導(dǎo)熱系數(shù)高,經(jīng)過熱

5、傳導(dǎo)后,溫度在銅材中分布就非常均勻,相反的,木材的導(dǎo)熱系數(shù)偏低,于是相同的傳導(dǎo)距離,木材的溫度分布就明顯的不均勻(溫度顏色衰減的非常快;表示熱量傳導(dǎo)性不良.)從上述的第一招式我們可以知道.熱傳導(dǎo)的熱傳量.跟傳導(dǎo)系數(shù),接觸面積成正比關(guān)系(越大,則傳熱越好!)而跟厚度(距離)成反比.好,有了這個(gè)觀念,現(xiàn)在讓我們把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)到散熱片身上,當(dāng)散熱片與熱源接觸,我們需要的是"吸熱",能夠大量的把熱吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散熱片的底部會(huì)加一塊銅板不是嗎?或甚至干脆用銅當(dāng)散熱片底板.就是因?yàn)樗臒釋?dǎo)系數(shù)比鋁多出將進(jìn)一倍(當(dāng)然還有其它技術(shù)原因,容我先賣個(gè)關(guān)子).嘿,嘿,聰

6、明的讀者,您一定也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題,散熱片的底部厚度好象越來(lái)越厚耶!如果照我說的話,那不是傳熱效果越差了嗎?如果您會(huì)問這個(gè)問題?先恭喜您!您已經(jīng)有本事報(bào)名英雄大會(huì)了.這牽涉到另外一門有趣的課題.因篇幅關(guān)系,這一次我并不打算放進(jìn)來(lái).請(qǐng)諸位海涵!2.)熱對(duì)流(Convection) 流動(dòng)的流體(氣體或液體)與固體表面接觸,造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式.這一招是三招里面最為博大精深的一招,老祖先依其流體驅(qū)動(dòng)的方式將之轉(zhuǎn)換折成貌和神離的兩招,分別是A.)自然對(duì)流(Natural Convection):流體運(yùn)動(dòng)是來(lái)自于溫度差.溫度高的流體密度較低,較輕會(huì)向上運(yùn)動(dòng).相反的,溫度低的流體則向下運(yùn)動(dòng)

7、.所以是流體受熱之后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力.(這里各位要牢記一件事,只要溫差,沿著重力場(chǎng)方向的流體就會(huì)開始運(yùn)動(dòng),帶走熱量!)B.)強(qiáng)制對(duì)流 (Force Convection) :顧名思義,流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)力如風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng).驅(qū)動(dòng)力往那兒吹,流體就往那兒跑,與重力場(chǎng)無(wú)關(guān).不是很了解對(duì)吧!百聞不如一見,脫掉你寶貝計(jì)算機(jī)的灰白色夾克.您應(yīng)該會(huì)看到如下圖所示的精采內(nèi)臟.如此清楚了嗎?芯片組散熱片不加風(fēng)扇,利用的是自然對(duì)流將熱量帶走,表示熱量不高(一般來(lái)說介于3瓦8瓦).至于CPU則因?yàn)闊崃枯^高 (尤其是桌上型計(jì)算機(jī),至少都在30瓦以上),自然對(duì)流的散熱量不足以帶走廢熱,因此得利用到風(fēng)扇驅(qū)動(dòng).至于更詳細(xì)的

8、各種芯片封 裝(package)制程,規(guī)格資料與散熱量的關(guān)系(別忘了CPU也是一種封裝,只是檔次較高!),還有自然對(duì)流及強(qiáng)制對(duì)流在散熱片設(shè)計(jì)上的考量差異性,我會(huì)在往后的篇幅中以專題的方式撰寫.讓各位不但對(duì)電子散熱有所了解,更知道整條電子鏈的運(yùn)作模式.看看它的公式吧!為什么說它最博大精深是有原因的.到了這兒,請(qǐng)千萬(wàn)小心,步步都是富貴險(xiǎn)中求.殊不知多少江湖英豪;名門俠女都曾栽在這塊看似山青湖靜,實(shí)則風(fēng)陰濤涌的領(lǐng)域(包括筆者都曾差點(diǎn)兒翻不了身).一則是從此開始.您才真正進(jìn)入"散熱"的大堂.一則是這 里又多了一門至深至幻的學(xué)問叫做流體力學(xué)(Fluid Dynamic).我想試問各位

9、一生中有多少次機(jī)會(huì)看到風(fēng)扇是怎么吸空氣;又是怎么把空氣吹出來(lái)的?我們換個(gè)角度想,要讓流體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),一個(gè)必要的因素是什么?知其然,更要知其所以然,道行高的您或許已開始發(fā)出會(huì)心的一笑,還不了解的看官也別擔(dān)心, 這運(yùn)功煉氣可是半點(diǎn)兒急不得.漸納慢吐,氣通任督灌丹田,才是習(xí)知之道.Q = H*A*TQ 為熱對(duì)流所帶走的熱量.H 為熱對(duì)流系數(shù)值(Hest Transfer Coefficient).這里是筆者及數(shù)字高人討論過后,一致公認(rèn)散熱領(lǐng)域內(nèi)最虛無(wú)飄渺的一個(gè)參數(shù)了.它既不是材質(zhì)特性,更不是什么散熱標(biāo)準(zhǔn).說穿了還真有點(diǎn)兒好笑.這是老祖先想破了頭還是一無(wú)所知的情況下,直接寫下的腳注.不信嗎? 敢問諸位高

10、手,只聽過H是隨著流體狀態(tài);流場(chǎng)形式;固體表面形狀的影響而改變的"常數(shù)"值(例如:垂直方向的平板流H=1020,最多是個(gè)H與速度的幾次方成正比關(guān)系),從沒看過哪一個(gè)方程式是可以解出H值的.(道道地地,不折不扣的"經(jīng)驗(yàn)值"!)A 代表熱對(duì)流發(fā)生時(shí)的"有效"接觸面積.這里我要再一次強(qiáng)調(diào).表面積大只是好看,有效表面積也大那才夠?qū)嵲?至于什么是"有效",將來(lái)我會(huì)舉一些活生生的實(shí)例給各位看,到時(shí)候可別合不攏嘴.散熱片的變化無(wú)窮,主要在于它的鰭片設(shè)計(jì),一個(gè)設(shè)計(jì)良好的鰭片.會(huì)內(nèi)外兼顧,不但跟空氣的接觸表面積大,而且大的很實(shí)在.否

11、則花那種冤望錢,不如自己做一塊銅塊蓋上去不就好了嗎?當(dāng)然金屬量產(chǎn)的加工制程上有一定的限制,不同的制造工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn),有時(shí)設(shè)計(jì)者不得不作一些妥協(xié)與讓步.T代表固體表面與區(qū)域流體(Local Ambient)的溫度差.這里就更驚險(xiǎn)了.散熱片的設(shè)計(jì),一個(gè)不小心就會(huì)跌入這個(gè)要命的陷阱里,它跟上面的所謂"有效"接觸面積還真有那么一點(diǎn)關(guān)系,我留一點(diǎn)兒空間先不說穿,讓各位也想一想.為什么我說到了這兒才算真正開始處理散熱問題.因?yàn)椴徽撟匀粚?duì)流或強(qiáng)制對(duì)流,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式.殊不知地球大氣運(yùn)行時(shí)的妙用無(wú)窮,我們換一個(gè)角度想,能量守恒定律,或許您也能參詳一二.周圍盡是用不完

12、的空氣,不拿它來(lái)出出氣,怎么說也 是暴斂天物,您說是嗎?下一次我們?cè)僬劻硪粋€(gè)能量傳遞的方式(它也是"散熱"的一員,只是平時(shí)韜光養(yǎng)晦,深藏不露,但發(fā)起威來(lái),套句廣告詞"凡人無(wú)法檔").而且角色變化多端,非常有個(gè)性,也是筆者最喜歡的一個(gè),請(qǐng)容我在此先擱筆.咱們下次再談!散熱,吸熱,還是絕熱重要?接下來(lái)介紹的,可又是散熱的一名角兒.只是它的名氣沒"熱對(duì)流"來(lái)的大,一般說來(lái)在主動(dòng)式散熱片(Active Cooler)的散熱比例上占的份量也有限,所以大伙兒常忽略它.可是它在實(shí)際生活中扮演的角色可豐富了.您加熱時(shí)絕對(duì)有它,散熱時(shí)它也有份,當(dāng)要絕熱

13、時(shí),更不能沒有它,更夸張的是,少了它,地球的生態(tài)環(huán)境瞬間就會(huì)失衡,看下去吧,向您鄭重介紹 3.)熱輻射(Radiation)若說上一招"熱對(duì)流"是謂博大精深,那這一招可就真算得上是"清風(fēng)拂山崗;明月照大江"的太極絕學(xué)了.待我解釋完,您就知道我開頭所述句句真言,絕無(wú)誑語(yǔ).別看它又清風(fēng),又明月的.真發(fā)起來(lái),那可是招招重手,決不留情.(您以為炎炎夏日太陽(yáng)的熱情是靠熱傳導(dǎo)或熱對(duì)流招呼到您身上的嗎?再舉個(gè)更生活的例子,沒用過也看過燈管式電暖氣吧?再告訴您一個(gè)小秘密,筆者求學(xué)時(shí)就曾經(jīng)利用180瓦的工地用鹵素大燈兩個(gè)煮三人份的火鍋,不蓋你,這些都得拜熱輻射所賜!)這說

14、完它加熱的好處,我留一點(diǎn)篇幅稍后 再解釋它與散熱,絕熱的關(guān)系.讓我們先把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回它的原理上.有人曾問筆者,熱輻射是不是放射性的a,b,g輻射波,您說呢?那可是對(duì)任何生物都會(huì)造成傷害性的輻射線耶!不要懷疑,雖不中亦不遠(yuǎn)矣 ,它們還真有血源關(guān)系呢,這一部份因?yàn)槭枪P者最喜歡的一種散熱方式,也是當(dāng)今能參透這門絕學(xué)的人少之又少(包括筆者也不是),是以筆者不得不一吐為快,交代清楚,以免讓各位越看越模糊,熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)(空氣)的情況下,不需要靠接觸,就能夠達(dá)成熱交換的傳遞方式.一種我戲稱為"熱數(shù)字訊號(hào)"(Thermal Digital Signal)的波的形式達(dá)成熱交換.

15、既然是波,那就會(huì)有波長(zhǎng),有頻率 ,而所謂波的能量,就是頻率乘上一個(gè)叫做普郎特的常數(shù)(Planck's Constant ),既然跟頻率有關(guān),那好,頻率的大小依次是Gamma 射線 ,X射線,紫外線,可見光,紅外線,微波而熱輻射能量就介于紫外線與紅外線之間,所以還算排行老三呢,但光是如此就讓你在7月中午的 太陽(yáng)下站不住五分鐘了吧!其實(shí)您還得感謝地球上有大氣層,空氣和水分子,這些介質(zhì)幫我們吸收掉了不少能量呢!好,咱們?cè)倩氐街黝},既然不需要介質(zhì),那就得靠物體與物體表面的熱吸收性與放射性來(lái)決定熱交換量的多寡.我們統(tǒng)稱為物體表面的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于01之間,是屬于物體的

16、表面特性,有一點(diǎn)兒像熱傳導(dǎo)系數(shù)(Conductivity) 都屬于材料特性.(其實(shí)吸收性(率 )與放射性(率)是一樣的,我稍后解釋.嚴(yán)格來(lái)說,物體表面的熱輻射特性有三種,分別是吸收率,反射率和穿透率.這三者加起來(lái)的值和為1,像是玻璃,它的能量穿透性很強(qiáng),所以相對(duì)的吸收性與反射性便較弱).讓我們看一下它的公式吧Q =esF(T4)Q 為物體表面熱幅熱的熱交換量.我在這兒強(qiáng)調(diào)是熱交換量而不是帶走的熱量.因?yàn)楣奖旧頎可娴絻蓚€(gè)表面在進(jìn)行輻射熱交換,當(dāng)假設(shè)其中一個(gè)表面不存在時(shí),則存在的表面便假設(shè)是與某一有限遠(yuǎn)的固定大氣溫度進(jìn)行熱交換.e 物體表面的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于01之間,

17、是屬于物體的表面材料特性,這一部分當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面拋光如鏡時(shí),熱輻射系數(shù)只有約0.02 0.05而已,而當(dāng)金屬表面一但作處理后(如表面陽(yáng)極處理成各種顏色亦或噴漆,則熱輻射系數(shù)值立刻提升至0.5以上 ,如下圖所示當(dāng)散熱片表面處理成綠色后,熱輻射系數(shù)值立刻由0.03提升至0.82. 處理前 處理后而塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部份超過0.5以上,s是波次曼常數(shù)5.67*10-8 ,只是一個(gè)常數(shù).F是里面最玄的一個(gè),洋文叫做Exchange View Factor,中文應(yīng)該說成是輻射熱交換的視角關(guān)系,它其實(shí)是一個(gè)函數(shù),一個(gè)跟兩個(gè)表面所呈角度,面積,及熱輻射系數(shù)有關(guān)的函數(shù).非常復(fù)雜,筆者在此不敢再

18、寫下去,以免各位看官承受不住.(T4)最后這個(gè)算是最好說的,但也最容易被一般剛?cè)虢哪贻p人弄錯(cuò)的.它正確的寫法如筆者框紅線所示,是(Ta4- Tb4)而不是(Ta- Tb) 4,.這其中Ta是表面a的溫度而Tb是表面b的溫度。嘿!嘿!如何.寫到這兒,如果您是屬于完全領(lǐng)悟參透型的高手,那筆者不但恭喜您 ,而且相信您一定也是一位玩熱的專家,若您是屬于不知筆者所言為何物型的看官也別著急,看看下面的照片或許能加深您的印象：Intel Pentium IV的CPU在紅外線攝影機(jī)下拍到的熱像就是那樣,金屬帽因?yàn)闊彷椛湎禂?shù)低,相對(duì)熱輻射量就小,所以顏色溫度低,而芯片基板上表面是接近樹脂材料所以熱輻射系數(shù)較

19、高,相對(duì)熱輻射量就大,溫度顏色就高.如此,懂了嗎?熱輻射所以熱輻射的定義是如果物體本身是一個(gè)好的輻射散熱體,那相對(duì)的它也絕對(duì)會(huì)是一個(gè)好的輻射吸熱體,這吸熱與散熱就端看物體表面本身的溫度與周圍或另外一個(gè)物體表面的溫度是高是低.若是高,則熱便會(huì)藉由熱輻射散出去,反之熱就會(huì)被吸收進(jìn)來(lái).而通常在熱對(duì)流效應(yīng)相對(duì)很強(qiáng)的情況下(尤其是裝風(fēng)扇的CPU Cooler),熱輻射量相對(duì)就有限,它與之前所說的熱對(duì)流散熱效應(yīng)比較起來(lái),幾乎是可忽略的一環(huán).但是,反過來(lái)說,像部份芯片的被動(dòng)式散熱片(Chipset Heat sink),它的熱對(duì)流散熱效應(yīng)較不明顯,反而會(huì)使得熱輻射散熱效應(yīng)相對(duì)提高,有時(shí)甚至?xí)汲^30%的總

20、散熱量.這兒之所以我們稱它散熱的原因,就是因?yàn)槲覀兯劦纳崞际茄b附于熱源上,通常它的溫度都會(huì)比周圍環(huán)境溫度要高出許多.而至于絕熱呢?我想我也提出一些問題讓各位想一想,保溫瓶?jī)?nèi)為什么要用絕熱體包附水銀膽呢?給您一個(gè)提示亮面如鏡的水銀膽反射率可是非常高的喔.那像衛(wèi)星呢?沒有大氣層的水及空氣保護(hù)吸收太陽(yáng)的輻射熱,不會(huì)有過熱的問題嗎?衛(wèi)星上一樣有高精密的電子組件,耶!重點(diǎn)就在于衛(wèi)星面向太陽(yáng)的表面有一層反射率非常高的披覆層保護(hù)著,讓太陽(yáng)的熱輻射量,除了太陽(yáng)能板之外,幾乎全部反射回去,以減少熱輻射量的穿透跟吸收.各位聰明的看官,說到這兒,您認(rèn)為是吸熱,散熱,還是絕熱重要呢?您是否對(duì)"熱&qu

21、ot;這個(gè)現(xiàn)象已有初步的概念了呢?別著急,將來(lái)有一天你也會(huì)跟筆者一樣對(duì)它又愛又恨的呢!話又說回來(lái),吸熱,散熱,絕熱其實(shí)各有所長(zhǎng),也各有其應(yīng)用于熱的時(shí)機(jī),端看您的應(yīng)用領(lǐng)域而有所區(qū)別,其實(shí),大部份時(shí)候它們還是相互交會(huì)運(yùn)用的機(jī)會(huì)較大呢! 好,我假設(shè)各位對(duì)所謂的熱傳遞形式熱傳導(dǎo)(Conduction),熱對(duì)流(Convection)，熱輻射(Radiation)都有了初步的認(rèn)識(shí),讓我?guī)透魑徽硪幌滤季w,把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回到CPU Cooler的基本架構(gòu)上,一塊一塊的剖開來(lái)定義清楚,現(xiàn)在讓我們進(jìn)入到下面的這張圖片去 :(1) 風(fēng)扇:熱對(duì)流組件,功能上就在于驅(qū)動(dòng)空氣灌入下方的散熱片中,利用新鮮且大流量的冷空氣灌入

22、,并加上風(fēng)扇本身驅(qū)動(dòng)流場(chǎng)的甩動(dòng)特性,提高了之前所提到過的熱對(duì)流系數(shù)值(Hest Transfer Coefficient).藉此提高熱對(duì)流的散熱效果.其所占散熱的比例份量最重,算是散熱界當(dāng)紅的炸子雞.(2) 扣具:嚴(yán)格說,它算是機(jī)構(gòu)組件,不是散熱組件.主要是將散熱片扣合在CPU的表面上,但研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)散熱片底板與熱源接觸面受力越大,則固體表面間的接觸熱阻抗越小,所以,扣具的研發(fā),也慢慢轉(zhuǎn)型為針對(duì)散熱片受力均勻性為重點(diǎn).既然牽涉到接觸阻抗,那就牽涉到散熱片底部的吸熱能力,所以,扣具也算是半個(gè)熱傳導(dǎo)組件.(3) 散熱片(鰭片部份):我們細(xì)分這個(gè)部份,它算是連接(吸熱)熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流及熱輻射(散熱)

23、的最重要管道,因?yàn)樯岬娜笞罨緱l件就是"面積,面積,面積",讀者可參詳Part2 與Part3的內(nèi)容公式便知,這散熱片的技術(shù)與工藝主要就在這兒,其次,表面陽(yáng)極處理也是一個(gè)非常重要的工藝,它不僅僅是設(shè)計(jì)上的美觀,更牽涉到輻射熱交換量的多寡,所以,鰭片設(shè)計(jì)的好壞,直接決定了產(chǎn)品的生死.當(dāng)然各種不同的機(jī)械加工產(chǎn)品各有其設(shè)計(jì)上的考量(有的是以吸熱為主;有的是以散熱為主),但若程度差太遠(yuǎn),那就很可惜了,筆者見到坊間不少不忍目睹的散熱器,想想,鋁條若有知,也一定會(huì)暗自掉淚吧!(4) 散熱片(底板部份):熱傳導(dǎo)組件,這兒是純粹就吸熱而言,決定底板的好壞,先要知道問題的癥結(jié)在那兒,吸熱

24、的致命關(guān)鍵就在克服 與熱源的接觸熱阻(Contact Resistance)及熱傳到底板之后的擴(kuò)散熱阻(Spreading Resistance),所以,底板的設(shè)計(jì)可也是絲毫茍且不得的.殊不知所有的源頭就在于熱如何被有效的帶出來(lái),連源頭都處理不好,更別談接下來(lái)的散熱了.看官們可以參照產(chǎn)品評(píng)估報(bào)告,互相比較,便知其中奧妙.更可以加深您的印象,讓您向?qū)＜抑吩龠~進(jìn)一大步.(5) 熱導(dǎo)介質(zhì):也是熱傳導(dǎo)組件,坊間有不少導(dǎo)熱膠片或?qū)岣喈a(chǎn)品,姑且不論其好壞,它的功用就在于克服金屬接觸面的微小縫隙,別小看它薄薄的一片,您若不怕CPU冒煙的話,下次換一般黏土玩玩看,保證有趣的要命,(筆者曾測(cè)試過,那種坐云霄

25、飛車的快感,保證讓您難忘又難過好一陣子),至于導(dǎo)熱膠片好還是導(dǎo)熱膏好,并沒有一定,但效果好是最重要的,將來(lái)筆者會(huì)針對(duì)一系列不同材料評(píng)估比較給您知道.(6) CPU:熱源,這邊若細(xì)談會(huì)牽涉到封裝制程,要說好一陣子(包括所有的封裝演進(jìn)史與發(fā)展過程),筆者再選適當(dāng)時(shí)間敘述.(7) (8) Socket與主板,這兒筆者之所以要把這兩項(xiàng)放在一起談,就是因?yàn)樯岬目剂?其實(shí),熱源所釋放的熱,有10%以上是往下經(jīng)由Socket從主板被帶走的,告訴您一個(gè)重點(diǎn),主板是一塊非常大的散熱板,筆者見過不少系統(tǒng)都有直接(或間接)針對(duì)主板強(qiáng)大的散熱能 力上作文章的.這其中不止PC產(chǎn)品而已,包括液晶投影機(jī),電源供應(yīng)器(不斷

26、電系統(tǒng)),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī).都曾對(duì)主板這帖不可多得的散熱藥材下過一翻工夫.說到這兒,必須對(duì)這次的主題下一個(gè)結(jié)語(yǔ)了,單刀直入,散熱還是您我最關(guān)心的重點(diǎn),但在還沒散到熱之前,必須解決的是吸熱的問題,至于絕熱呢,還不到時(shí)候,多想無(wú)益.往后,筆者會(huì)針對(duì)吸熱與散熱的重點(diǎn)(當(dāng)然是深入淺出,而且包容萬(wàn)象)一五一十?dāng)⑹?讓大家從此踏入這個(gè)領(lǐng)域,一窺這百家爭(zhēng)鳴的熱鬧與璀璨.坐穩(wěn)了.引擎一旦激活,您就只能睜大眼,張大嘴,豎起耳多跟著我這個(gè)導(dǎo)游一起體會(huì)這無(wú)限的熱疆界資料1散熱在普通的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因?yàn)榈退傩酒墓囊话愫苄?，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升不會(huì)太大。隨著芯片速率的不斷

27、提高，單個(gè)芯片的功耗也逐漸變大，例如：的奔騰的功耗可達(dá)到 25W。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時(shí)，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣?lái)加快芯片表面熱的釋放，使芯片工作在正常溫度范圍之內(nèi)。    通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對(duì)流是借助流體的流動(dòng)傳遞熱量，而輻射無(wú)需借助任何媒介，是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量。    在實(shí)際應(yīng)用中，散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時(shí)使用。散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)

28、到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加，同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能。風(fēng)扇的使用也分為兩種形式，一種是直接安裝在散熱器表面，另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上，提高整個(gè)空間的空氣流速。與電路計(jì)算中最基本的歐姆定律類似，散熱的計(jì)算有一個(gè)最基本的公式：                  溫差 = 熱阻 × 功耗    在使用散熱器的情況下，散熱器

29、與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻，散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來(lái)代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降一樣。同樣，散熱器與芯片表面之間也會(huì)存在一定的熱阻。熱阻的單位為/W。選擇散熱器時(shí)，除了機(jī)械尺寸的考慮之外，最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強(qiáng)。下面舉一個(gè)電路設(shè)計(jì)中熱阻的計(jì)算的例子來(lái)說明：       設(shè)計(jì)要求： 芯片功耗： 20瓦   

30、60;   芯片表面不能超過的最高溫度： 85       環(huán)境溫度（最高）： 55計(jì)算所需散熱器的熱阻。實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取01/W作為近似。則      （R + 0.1）× 20W = 85 - 55        得到 R = 1.4 /W只有當(dāng)選擇的散熱器的熱阻小于1.4/W時(shí)才能保證芯片表面溫度不會(huì)超過85。    使用風(fēng)扇能帶走散

31、熱器表面大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來(lái)表示。如下例： 風(fēng)速（英尺/秒） 熱阻（/W）03.51002.82002.33002.04001.8散熱2我用7805 7810如何計(jì)算散熱片尺寸？以7805為例說明問題。    設(shè)I=350mA，Vin=12V，則耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W    按照TO-220封裝的熱阻JA=54/W，溫升是132，設(shè)室溫25，那么將會(huì)達(dá)到7805的熱保護(hù)點(diǎn)150，7805會(huì)斷開輸出。 &#

32、160;  正確的設(shè)計(jì)方法是：    首先確定最高的環(huán)境溫度，比如60，查出民品7805的最高結(jié)溫TJMAX=125，那么允許的溫升是65。要求的熱阻是65/2.45W=26/W。再查7805的熱阻，TO-220封裝的熱阻JA=54/W，TO-3封裝（也就是大家說的“鐵殼”）的熱阻JA=39/W，均高于要求值，都不能使用（雖然達(dá)不到熱保護(hù)點(diǎn)，但是超指標(biāo)使用還是不對(duì)的）。所以不論那種封裝都必須加散熱片，資料里講到加散熱片的時(shí)候，應(yīng)該加上4/W的殼到散熱片的熱阻。    計(jì)算散熱片應(yīng)該具有的熱阻也很簡(jiǎn)單，與電阻的并聯(lián)一樣，即54

33、/x=26，x=50/W。其實(shí)這個(gè)值非常大，只要是個(gè)散熱片即可滿足。    國(guó)產(chǎn)散熱器廠家其實(shí)就是把鋁型材做出來(lái)，然后把表面弄黑。熱阻這種最基本的參數(shù)他們恐怕從來(lái)就沒有聽說過。 如果只考慮散熱功率芯片的輸入輸出電壓差X電流是芯片的功耗，這就是散熱片的散熱功率。散熱3熱設(shè)計(jì) 由于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率不可能是100%，因此自身有一定的功耗，電源模塊本身發(fā)熱的高低，主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。在一定外殼散熱條件下，電源模塊存在一定的溫升(即殼溫與環(huán)境溫度的差異)。電源模塊外殼散熱表面積的大小直接影響溫升。對(duì)于溫升的粗略估計(jì)可以使用這樣的公式：溫升=熱阻系數(shù)模塊功耗。熱阻

34、系數(shù)對(duì)于涂黑紫銅的外殼P25XXX(用于SMP-1250系列產(chǎn)品的外殼)來(lái)說約為3.76°C/W。這里的溫升和系數(shù)是在模塊直立，并使下方懸空1cm，自然空氣流動(dòng)的情況下測(cè)試的。對(duì)于溫度較高的地方須將模塊降額使用以減小模塊的功耗，從而減小漸升，保證外殼不超過極限值。對(duì)于功率較大的模塊，須加相應(yīng)的散熱器以使模塊的溫升得到下降。不同的散熱器在自然的條件下有不同的對(duì)環(huán)境的熱阻，主要影響散熱器熱阻的因素是散熱器的表面積。同時(shí)考慮到空氣的對(duì)流，如果使用帶有齒的散熱器應(yīng)考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對(duì)流，例如：當(dāng)使用的模塊輸出功率為100W，效率為82%時(shí)，滿載時(shí)模塊的功耗為：100/0.82-

35、100=22W，選用附件中WS75(75W) 散熱器，其熱阻為1.9°C/W,不考慮原外殼的橫向散熱,自然散熱的溫升為1.922=42°C。散熱3包含熱模型的新型MOSFET PSPICE模型作者：Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano, Antonio Grimaldi 意法半導(dǎo)體公司 Stradale Primosole, 50 - 95121 - Catania, ITALY 電話 傳真：  電郵：Email: filippo.

36、digiovanni摘要: 功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來(lái)越高，發(fā)熱問題越來(lái)越嚴(yán)重，這種功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)代大功率半導(dǎo)體技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。因而熱問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證變得比大功率器件的電模型更加重要，本文提出一種新的Pspice模型，可以利用它計(jì)算MOSFET芯片在瞬變過程中的溫度。本文提出的模型中所需要的熱阻可以從制造商提供的產(chǎn)品使用說明書得到。本文介紹MOSFET的一種新的PSPICE 等效熱模型，這個(gè)模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。這里提出的模型建立了與許可的熱環(huán)境的關(guān)系，例如，柵極驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以利用這個(gè)模型來(lái)改善散熱器的設(shè)計(jì)。由於決定功率損耗的參數(shù)參

37、差不齊，與生產(chǎn)制造有關(guān)，受生產(chǎn)制造的影響很大，因而散熱器的設(shè)計(jì)往往由於無(wú)法預(yù)先知道功率損耗而無(wú)法進(jìn)行。1. 引言散熱器在計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差，一般說來(lái)主要原因是很難精確地預(yù)先知道功率損耗，每只器件的參數(shù)參差不齊，并不是一樣的，而且在芯片上各處的溫度也是不同的。結(jié)果是，安全的裕度可能離開最優(yōu)值很遠(yuǎn)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強(qiáng)的模擬仿真工具，因此有可能在預(yù)測(cè)功率損耗和熱設(shè)計(jì)的校核方面做一些改進(jìn)。然而，為了確保長(zhǎng)期可靠性，運(yùn)用復(fù)雜的限流技術(shù)可以更進(jìn)一步地把最高結(jié)溫（或者最大功率損耗）維持在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值以下。 動(dòng)態(tài)負(fù)載變化所引的任何熱響應(yīng)的改變都可以直接地進(jìn)行測(cè)量，并且用閉路控制的方法來(lái)修正。2. 熱阻發(fā)散

38、出去的功率Pd 決定於導(dǎo)熱性能，熱量流動(dòng)的面積以及溫度梯度，如下式所示： Pd=K*AndT/dx (2.1)式中 An 是垂直於熱量流動(dòng)方向的面積，K 是熱導(dǎo)，而T是溫度。可是這個(gè)公式并沒有甚麼用處，因?yàn)槊娣eAn 的數(shù)值我們并不知道。對(duì)於一只半導(dǎo)體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示：Pd=T/Rth(2.2)以及Rth = T/ Pd(2.3)其中T 是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量，Pd 是功率損耗，而Rth 是穩(wěn)態(tài)熱阻。芯片溫度的升高可以用式(2.2) 所示的散熱特性來(lái)確定?？紤]到熱阻與時(shí)間兩者之間的關(guān)系，我們可以得到下面的公式：Zth(t)= Rth1-exp(-t/t ) (2.4)其中

39、(是所討論器件的半導(dǎo)體結(jié)至外殼之間的散熱時(shí)間常數(shù)，我們也認(rèn)為 "Pd" 是在脈沖出現(xiàn)期間的散發(fā)出去的功率。那麼，我們可以得到：T(t)=Pd Zth(t)(2.5)如果 Pd 不是常數(shù)，那麼溫度的瞬態(tài)平均值可以近似地用下式表示：T(t)=Pavg(t) Zth(t) (2.6)其中Pavg(t) 是散發(fā)出去的平均功率。作這個(gè)假定是合情合理的，因?yàn)樗矐B(tài)過程的延續(xù)時(shí)間比散熱時(shí)間常數(shù)短。由於一只MOSFET的散熱時(shí)間常數(shù)為100ms的數(shù)量級(jí)，所以一般這并不成其為問題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說明書上得到，它一般是用“單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過程的熱阻曲線”來(lái)表示 圖 1 Zth(t)瞬態(tài)

40、熱阻3. SPICE 的實(shí)現(xiàn) 本文提出的模型使用一種不同的PSPICE 模擬量行為模型（ABM）建模技術(shù)。事實(shí)上，利用這種建模方法，使用者可以用數(shù)學(xué)的方法建立模型，不必使用更多的資源?？梢钥吹?，由SPICE內(nèi)的MOSFET模型，并不能以溫度結(jié)點(diǎn)的形式直接得到溫度。然而，可以用圖4中所示的“竅門”來(lái)解決這個(gè)問題。為了做到這點(diǎn)，把MOSFET M1表示成為一個(gè)普通的 Level-3 MOS模型 加上一個(gè)電路。 晶體管 M1 僅僅是“感知”溫度，溫度是指通用的SPICE變量“Temp”。為了評(píng)價(jià)溫度對(duì)漏極電流的影響（由M1我們只能夠確定在溫度“Temp” 例如在 27 °C時(shí)，電

41、流隨著漏極電壓的變化），增加了電路 G1 。這部份電路可以看成是電流受控制的電流產(chǎn)生器： Id(G1)=Id(M1) f(VGS,VDS,Tj,VTH,) (3.1)在式(3.1)中的?數(shù)f的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以從器件的輸出特性通過內(nèi)插法很容易得到。它與M1的模型有關(guān)，因而可以建立模擬量行為模型（ABM）。4. 計(jì)算 Tj(t) 當(dāng)大功率MOSFET工作在重復(fù)脈沖或者單脈沖的情況下，知道了平均功率損耗，然後將功率損耗乘以熱阻 Zth(t)，就可以得到模型的溫度。在電路中，熱阻 Zth(t)的數(shù)值是用電壓來(lái)表示的，使用的符號(hào)為V(Zth(t)。參看模型G2，現(xiàn)們來(lái)計(jì)算M1的瞬時(shí)功率

42、損耗： Pd(t)=VDSG1(t) IDG1(t) (4.1)其中IDG1(t)=IdM1(t) f(VGS,VDS,Tj,Vth,) (4.2)在式(4.1)中，Pd(t) 是“ELAPLACE”的輸入量。 "ELAPLACE" 起積分的作用，於是得到消耗的能量 E(t)；由此可以得到平均功率損耗如下 Pave(tk)= E(tk)/tk (4.3)Pave(tk) 當(dāng)然是與時(shí)間有關(guān)的，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)是隨著模擬仿真的進(jìn)行而改變的。因此，平均功率損耗Pave(tk) 是變化的，它代表從模擬仿真開始到時(shí)刻tk這段時(shí)間的功率損耗的平均值。熱阻曲線Zth(t)

43、 可以以不同方式納入到這個(gè)模型中。我們可以把單個(gè)脈沖響應(yīng)用於Cauer或者 Foster網(wǎng)絡(luò)。我們也可采用 a) 列表來(lái)表示， b)電壓產(chǎn)生器 VPULSE，c) 一種激勵(lì)電壓產(chǎn)生器。芯片溫度增高的平均值 Tj-c(t)決定於Pave(t)，再乘上Zth(t)。因此Tj-c(t) 可以用下式表示：Tj-c(t)= Pave(t) Zth(t).+Tcase(4.4)其中Tcase 取等於環(huán)境溫度。5. 模擬仿真結(jié)果及測(cè)量結(jié)果在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為不同類型的情況下進(jìn)行了模擬仿真。下面圖中的曲線是模擬仿真的結(jié)果。這些模擬仿真的結(jié)果是用新的SuperMESHTM STP14NK50ZFP 高電壓MOSFE

44、T測(cè)量得到的，MOSFET是裝在絕緣的外殼中。 這種MOSFET器件是用本公司專有的Mesh OverlayTM 技術(shù)的經(jīng)過優(yōu)化而制造的產(chǎn)品。下面是它的主要性參數(shù)：  BVDSS RDS(on) STP14NK50ZFP (TO-220FP) > 500V < 0.38 W 在很寬的溫度范圍上進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7示。圖 2 不同溫度Tj時(shí)的輸出特性曲線(實(shí)測(cè)結(jié)果)圖 3 在不同的Tj時(shí)的輸出性曲線(模擬結(jié)果)圖 4 電路圖圖 5 在10V時(shí)的RDS(on) (模擬結(jié)果) 圖 6 在10V時(shí)的RDS(on) (實(shí)測(cè)結(jié)果)圖7在10V時(shí)的VDS(on) (模擬

45、結(jié)果)圖 8 在 10V時(shí)的VDS(on)（實(shí)測(cè)結(jié)果）圖 9 (從上至下)：A) Tj 隨時(shí)間的變化B,C)漏極電流 6. 結(jié)論本文介紹了大功率MOSFET的一種新型的 PSPICE電路模型，其中包含熱模型，利用這個(gè)模型，設(shè)計(jì)人員可以確定硅芯片在瞬變過程中任何給定時(shí)刻的平均溫度。這個(gè)電路包含電氣特性和熱特性之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。唯一需要的輸入?yún)?shù)可以很容易地從制造商提供的產(chǎn)品說明書中得到。這些參數(shù)是熱阻、 RDS(on) 隨溫度的變化，等等。 這個(gè)模型也可以用於其它的半導(dǎo)體器件，包括雙極型晶體管?？梢韵嘈牛@里提出的模型可以用於對(duì)器件的熱性能進(jìn)行全面的分析，從而改進(jìn)它的長(zhǎng)期可靠性。7. 致

46、謝本文作者借此機(jī)會(huì)感謝在Catania的MOSFET和IGBT產(chǎn)品技術(shù)和市場(chǎng)部的寶貴建議和支持。 參考文傳熱過程中的基本問題可以歸結(jié)為：1、 載熱體用量計(jì)算2、 傳熱面積計(jì)算3、 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4、 提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。解決這些問題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。（1） 熱量衡算式 根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。即Q熱=Q冷， 稱為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。（2） 傳熱速率式 換熱器在單位時(shí)間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率，以Q表示，其單位W。實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差tm及傳熱面積

47、S成正比，即：Q=KStm (3-1)S=nd L (3-2)式 中：Q傳熱速率，W；S傳熱面積，m2；tm溫度差，0C；K 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2· ；n 管數(shù)；d 管徑，m；L 管長(zhǎng)，m。若將式（3-1）變換成下列形式：Q/S=tm/(1/K)(3-3)式中：tm傳熱過程的推動(dòng)力， 1/K 傳熱總阻力（熱阻），m2· /W。則單位傳熱面積的傳熱速率正比于推動(dòng)力，反比于熱阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動(dòng)力和降低熱阻。另一方面，從式（3-1）可知，如杲工藝上所要求的傳熱量Q己

48、知，則可在確定K及tm的基礎(chǔ)上算傳熱面積S，進(jìn)而確定換熱器的各部分尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本章主要介紹應(yīng)用這兩個(gè)基本關(guān)系解決上述四個(gè)問題。介紹的范圍以穩(wěn)定傳熱為限。所謂穩(wěn)定傳熱是指?jìng)鳠崃颗c時(shí)間無(wú)關(guān)，即每單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量為定值。反之，傳熱量隨著時(shí)間而變的則是不穩(wěn)定傳熱，一般在化工連續(xù)生產(chǎn)中都屬穩(wěn)定傳熱。就傳熱機(jī)理而言，任何熱量傳遞總是通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行的。傳熱可依靠其中一種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn)行，凈的熱流方向總是由高溫處向低溫處流動(dòng)第三節(jié)傳熱計(jì)算間壁式傳熱是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳熱方式。在絕大多數(shù)情況下，這種傳熱是大規(guī)模連續(xù)進(jìn)行的。在這過程中，不論是熱流體，還是冷流體或固體

49、壁面，各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，故屬于穩(wěn)定傳熱過程。我們主要討論穩(wěn)定過程。傳熱計(jì)算主要有兩方面內(nèi)容：一類是設(shè)計(jì)計(jì)算，即根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷確定換熱器的傳熱面積；另一類是校核計(jì)算，即計(jì)算給定換熱器的傳熱量，流體的流量或溫度等。二者均以換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程為計(jì)算的基礎(chǔ)。一、熱量衡算對(duì)間壁式換熱器作能量衡算，因無(wú)外功加入，且位能和動(dòng)能項(xiàng)均可忽略，故實(shí)際上為焓衡算。焓差法Q=qm,h(Hh1-Hh2)= qm,c(Hc2-Hc1)式中qm-質(zhì)量流量，kg/sH-單位質(zhì)量流體的焓，J/kg顯熱法潛熱法二、總傳熱速率方程（一）總傳熱速率方程如前所述，兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程：熱流體在流動(dòng)過

50、程中把熱量傳給管壁；通過管壁的熱傳導(dǎo)；熱量由管壁另一側(cè)傳給冷流體。（二）總傳熱系數(shù)（三）污垢熱阻三、平均溫度差一般情況下，冷，熱流體在穩(wěn)定換熱的設(shè)備內(nèi)分別在間壁兩側(cè)沿傳熱面進(jìn)行吸熱或放熱流體的溫度沿傳熱面逐漸變化。局部溫度差也是沿傳熱面而變化的。 當(dāng)液體發(fā)生相變時(shí)，則其溫度保持不變。當(dāng)兩側(cè)均為變溫時(shí)，兩流體又有順流和逆流之分。這幾種情況下溫度沿傳熱面的變化如圖所示。對(duì)一側(cè)變溫或兩側(cè)變溫的情形，設(shè)冷，熱兩流體的比熱容為常數(shù)，總傳熱系數(shù)為常數(shù)，熱損失可忽略，則在穩(wěn)定傳熱時(shí)可用下列方法計(jì)算平均溫度差。Q=KStm逆流操作與順流操作相比較，具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：加熱時(shí)，若冷液體的初溫終溫處理量以及熱流

51、體的初溫一定由于逆流時(shí)熱流體的終溫有可能小于冷流體的終溫，故其熱流體消耗量有可能小于順流者。冷卻時(shí)的情況相似，冷流體消耗量有可能小于順流者。完成同一傳熱任務(wù)。若熱冷流體消耗量相同，由于逆流的對(duì)數(shù)平均溫差大于順流，故所需的傳熱面積必小于順流。 由此可見，除個(gè)別特殊情況外，應(yīng)選擇逆流操作較為有利。至于順流操作，它主要用于加熱時(shí)必須避免溫度高于某一限定溫度，或冷卻時(shí)必須避免溫度低于某一限度的場(chǎng)合。在實(shí)際換熱器中，往往還伴有更復(fù)雜的情況。一種是兩液體的流動(dòng)不是平行而是正交的，這種流動(dòng)方式稱為錯(cuò)流。第二種情形是兩流體雖作平行流動(dòng)，但對(duì)一部分管子而言屬順流，對(duì)另一部分管子而言屬逆流，這種流動(dòng)稱為折流。對(duì)于

52、錯(cuò)流和折流，其平均傳熱溫差可用下法求?。菏紫葘⒗錈嵋后w的進(jìn)出口溫度假定為逆流操作下的溫度，求取其對(duì)數(shù)平均溫差，然后乘以修正系數(shù)，即得平均溫度差： 四傳熱的強(qiáng)化強(qiáng)化傳熱的目的是以最小的傳熱設(shè)備獲得最大的生產(chǎn)能力。強(qiáng)化傳熱有如下幾種途徑：1 加大傳熱面積加大傳熱面積可以增加傳熱量，但設(shè)備增大，投資和維修費(fèi)用也隨之增加。要看傳熱量的增加數(shù)值能補(bǔ)償費(fèi)用上的增加。2 增加平均溫差平均溫差愈大，自然熱流量愈大。理論上可采取提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法，但往往受客觀條件和工藝條件的限制。另外，在一定的條件下，采用逆流方法代替順流，也可提高平均溫差。 3 減小傳熱阻根據(jù)熱阻的分析，一般金屬間壁的導(dǎo)

53、熱熱阻是較小的，所以強(qiáng)化措施通常不放在此點(diǎn)上。但當(dāng)這項(xiàng)熱阻占有顯著分量時(shí)，減小壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料，顯然可以收效，重要的問題在于需要經(jīng)常保持壁面清潔。有時(shí)，防止污垢形成或經(jīng)常清除垢層成為很重要的強(qiáng)化措施。熱阻中，重要的是兩側(cè)傳熱熱阻，必須細(xì)心地考慮其強(qiáng)化措施。加大流速，提高湍動(dòng)程度，減小層流內(nèi)層厚度，均有利于提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。第四節(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式 用牛頓冷卻定律處理復(fù)雜的對(duì)流傳熱，實(shí)質(zhì)上是把一切復(fù)雜的影響因素均集中于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。因此，對(duì)對(duì)流傳熱珠形容便轉(zhuǎn)化為對(duì)各種具體情況的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的研究。一對(duì)流傳熱的準(zhǔn)數(shù)方程（一）影響對(duì)流傳熱的因素實(shí)驗(yàn)表明，影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素有以下幾個(gè)方面

54、：1 流體的種類和相變化的情況液體氣體和蒸汽都有不同的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。牛頓型流體和非牛頓型流體也是這樣。流體有無(wú)相變化，對(duì)傳熱有明顯不同的影響。2 流體的流動(dòng)狀態(tài)流體擾動(dòng)程度愈高，層流內(nèi)層的厚度愈薄，對(duì)流傳熱系數(shù)也就愈大。3 流體流動(dòng)的原因自然對(duì)流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分流體的密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。強(qiáng)制對(duì)流是由于如泵攪拌器等外力的作用迫使流體流動(dòng)，通常強(qiáng)制對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大得多。4 流體的物理性質(zhì)對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響圈套的流體物性有流體的密度粘度熱導(dǎo)率和比熱容等。流體的物理性質(zhì)不同，流體和壁面間的對(duì)流傳熱也不同。5 傳熱面的形狀大小及位置管板管束等

55、不同形狀的傳熱面，管徑管長(zhǎng)或板的高度，管子排列方式，水平或垂直旋轉(zhuǎn)等都影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（二）量綱分析法綜上所述，影響對(duì)流傳熱的因素很多。工程上常采用的是特征數(shù)方程或稱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。它是通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)后，再經(jīng)理論分析整理而成的。（三）各特征數(shù)的物理意義通過推導(dǎo)得到的特征數(shù)方程式含有四個(gè)量綱為一的數(shù)群。它們的物理意義如下：1努塞爾數(shù)，或稱傳熱數(shù)，符號(hào)為，即：2雷諾數(shù)，或稱流動(dòng)數(shù)，即：3普朗特?cái)?shù)，或稱物性數(shù)，即：4格拉曉夫數(shù)，即：在采用特征數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)，必須注意：應(yīng)用范圍。特征數(shù)關(guān)聯(lián)式是嚴(yán)格應(yīng)用在一定范圍內(nèi)的公式，決不應(yīng)隨意推廣。定性溫度。計(jì)算特征數(shù)式中各特征數(shù)時(shí)，其所含的物性的數(shù)值應(yīng)根據(jù)訪式所指

56、定的溫度來(lái)確定。此溫度稱為定性溫度。一般是選取對(duì)傳熱過程起主要作用的溫度人微言輕定性溫度。定性尺寸。計(jì)算特征數(shù)式中含幾何尺寸的特征數(shù)時(shí)，也是其指定的固定邊界的某一尺寸，稱為定性尺寸。定性尺寸一般也是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定影響的固體表面尺寸。例如管內(nèi)流動(dòng)傳熱用內(nèi)徑，管外對(duì)流傳熱用外徑，套管間隙內(nèi)的傳熱用當(dāng)量直徑等。二流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式（一） 流體在管內(nèi)強(qiáng)制（二） 流體在管外強(qiáng)制對(duì)流（三） 自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)三流體有相變時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式沸騰和冷凝時(shí)的傳熱發(fā)生有相變的傳熱。在沸騰和冷凝時(shí)必然伴隨著流體的流動(dòng)，故沸騰和冷凝傳熱同樣發(fā)生對(duì)流傳熱。 （一） 蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳

57、熱1 蒸汽冷凝方式蒸汽與低于其飽和溫度的壁面相接觸，即冷凝成液體附著于壁面上，并放出冷凝潛熱。蒸汽在壁面上冷凝可分滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種情況。（二） 液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱液體沸騰的主要特征是汽泡的形成及其運(yùn)動(dòng)。1 液體沸騰的過程根據(jù)傳熱溫度的變化，液體沸騰傳熱過程要經(jīng)歷如下四個(gè)階段：自然對(duì)流階段泡核沸騰階段膜狀沸騰階段穩(wěn)定膜狀沸騰。2 影響沸騰傳熱的因素液體沸騰傳熱的上述各階段中，泡核沸騰在工業(yè)上具有重要的意義。泡核沸騰的主要特點(diǎn)是汽泡在加熱面上形成和發(fā)展，并脫離表面而作上升運(yùn)動(dòng)。因此，凡是影響汽泡生成強(qiáng)度的因素，均能影響沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 3 液體沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)理想中的散熱 這是各材料間熱傳導(dǎo)能力的比較圖表設(shè)計(jì)散熱器的基本概念，可以精簡(jiǎn)成一個(gè)數(shù)學(xué)方程式，它代表了排除外界因素后，兩個(gè)導(dǎo)體間的熱能對(duì)流： Iw = ?x (T1-T2) x (I/A) 我們一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單說明吧：Iw代表兩個(gè)不同物體（材料）間，若有溫度上的差異（T1與T2）存在時(shí)的熱能對(duì)流量。I代表兩的物體間的距離，而A則代表表面積。Gamma代表的是熱傳導(dǎo)系數(shù)。大致看一下這個(gè)方程式，您就會(huì)了解理想中的散熱器設(shè)計(jì)應(yīng)該要有怎樣的品質(zhì)了。溫度差距（T1-T2）是造成熱對(duì)流的因素，另外它也會(huì)