熱設計基礎：熱即是“能量”,一切遵循能量守恒定律

1、熱設計基礎（一）：熱即是能量”，一切遵循能量守恒定律在開發(fā)使用電能的電子設備時，免不了與熱打交道?！霸囍颇钞a品后，卻發(fā)現(xiàn)設備發(fā)熱超乎預料，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歷。如果參與產品開發(fā)的人員在熱設計方面能夠有共識，便可避免這一問題。下面舉 例介紹一下非專業(yè)人士應該知道的熱設計基礎知識?！爸睆匠^13cm，體積龐大，像換氣扇一樣。該風扇可獨立承擔最大耗電量達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。看過PS3內像“風 扇”或“換氣扇”一樣的冷卻機構，

2、估計一定會有人感到驚訝。“怎么會作出這種設計？”“這肯定是胡摸亂撞、反復嘗試的結果。”“應該運用了很多魔術般的最新技術?！薄昂喼本褪呛鷣怼贝蠹铱赡軙a生這樣的印象，但事實上并非如此。PS3的冷卻機構只是忠實于基礎，按照基本要求累次設計而成。既沒有胡摸亂撞，也不存在魔術般的最新技術。在大家的印象里，什么是“熱設計”呢？是否認為像下圖一樣，是“一個接著一個采取對策”的工作呢？其實，那并不能 稱為是“熱設計”，而僅僅是“熱對策”，實際上是為在因熱產生問題之后，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，如果在產品設計的階段，其思路存在不合理的地方，無論如何都無法 冷卻，那么

3、，很可能會出現(xiàn)不得不重新進行設計的最糟糕的局面。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“熱設計”。正如“設計”本身的含義，是根據(jù)產品 性能參數(shù)來構想應采用何種構造，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，學習幾個“基礎知識”，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“。C”，那么希望你能讀一下本文。熱是能量的形態(tài)之一。與動能、電能及位能等一樣，也

4、存在熱能。熱能的單位用“ J”（焦耳）表示。1能量能在1N力的作用 下使物體移動1m，使1g的水溫度升高0.24C。設備會持續(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就是轉換為其他形態(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，則以動能的形態(tài)保存在物體中。100J的能量可使100g水的溫度

5、升高約0.24C。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，也絕不會憑空產生。這就是最重要“能 量守恒定律”?，F(xiàn)在大家已經知道熱是一種能量，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。C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，溫度就會升高，而大范圍分散時，溫度就會降低。PS3等電器產品也完全遵守能量守恒定律。從電源插頭流入的電能會在產品內部轉

6、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，多半轉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。很多人會認為，“熱設計是指設計一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機構”。就像前面指出的那樣，說是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產生熱能。說是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。如左圖所示,熱設計是指設計一種“將OOW的能量完全向外部轉移的機構”，其結果是可達到“。笆以下”。大家首先 要有一個正確的認識！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”、“對流”及“熱輻射”。

7、請注意，傳導與對流表面文字相似，但絕不相同！傳導是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。鋁和鐵的導熱性都很出色。這就是傳導。如果用數(shù)值表示導熱性，樹脂為0.20.3，鐵為49,鋁為228,銅為386。這些都是指該物質的導熱率，單位為“W/（mC）”。 越容易導熱的物質，該數(shù)值越大。如果用一句話來表述導熱率的含義，即“有一種長1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1C時，會流動多少W”。 如果將其單位“W/（mC） ”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

8、拉面表面向吹出的空氣傳遞的結果。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）X100,受迫對流就為（1.25.8）X1000,水沸騰時就為（1.22.3）X10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2 C）”。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1C時， 會從該面?zhèn)鬟f多少W熱量”。該傳熱系數(shù)受散熱面設置狀況的影響較大。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

9、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（）成比例一流速提高至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)越低一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，與使用強風使其冷卻的方法相比，橫向擴大散熱面，使整體通風的方法更有效。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”。這些是根據(jù)面的形狀及設置方向定義的。右圖分別顯示了垂直和水 平設置平板時的情況，其他面形狀及設置方向也各有姿勢系數(shù)及

10、代表長度。匣于熱胸方式曲蛾尚X停均皇優(yōu)也+2燈國闿菱中星t輻射是指經由紅外線、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，全黑物質為1，鋁為0.050.5,鐵為0.60.9，黑色樹脂為0.8 0.9。這就是熱輻射率（沒有單位）。此處公開的公式是一個近似式，用于計算設置在空氣中的物體向周圍的空氣進行輻射時傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差 并不是很大時，可利用該公式準確

11、計算出結果。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。笆的方形箱體表面會向空氣中釋放多少W的 熱量”。至此，總結了 “熱設計的3條基礎知識”。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?？偠灾?，其根本是要“遵守原理原則”。不違背原理原則，一點一點仔細設計非常重要。就像中學和大學教科書中記載 的那樣，基礎中的基礎最為重要。部料:酣;曲rt酣建明碰 |叫 I， |下面，估計一下實際設備的大小，然后試著計算從該箱體的表面會釋放出多少熱量。假設將大小與第一代PS3幾乎相同 (325mmX275mmX100mm)的方形箱體豎著放置，并且假設該箱體

12、內外不換氣。環(huán)境溫度按照產品的工作保證溫度決定。在此，工作保證溫度最高為35C，假設再加上5C作為設計余量。下面再確定一下設備外裝的表面溫度吧！該溫度由作為產品性能參數(shù)的容許溫度決定。在此，假設箱體的表面溫度同樣為 60C。并且，將由外裝使用的素材及顏色決定的表面輻射率設定為0.8。此時，在其內部生成的不對，應該是在箱體內部由電轉換為熱量的能量，從箱體的表面通過熱對流及熱輻射的方式向 外部轉移。另外，估計設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方式傳遞熱量。并且，暫不考慮散熱片設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決定的能量進出收支計算。I tiJ?寸 32&W2TSTTPI-Olm-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？ljr：,Tjr?FMJ!1B L*hTB aJNti ll L-JU HJe- r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笆時