散熱設(shè)計手冊

散熱、吸熱，還是絕熱重要?

在這兒之前，有一人很重要的問題要問各位，您知道什么是“熱"嗎?

在您選擇一項產(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，千萬別當(dāng)了冤大頭「熱（Heat）”是能量嗎？

嚴(yán)格來說它不算是能量，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.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，會因為與導(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1/0（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，

下場是道路越來越窄，而車子越來越多，不踩煞車，能不出車禍嗎？當(dāng)

然熱量越來越高.信不信,冷颼颼的冬天，關(guān)在房里打計算機(jī)，你會愛

死它，又有得殺時間，又暖和！只是不巧，炎炎夏日又悄悄的接近

了……

”傳熱（HeatTransfer）”：既然說熱是一種傳遞能量的形式.那就

不能不談傳遞的方法了.總的來說整個大自然界能量傳遞的方式被

我們聰明的老祖先（請記住.熱力學(xué)ThermalDynamic是古典力學(xué)的

一種!）概分為三種，接下來我用最淺顯易懂的方式分別介紹這門神

功的三大根本奧義讓各位知道：

1.）熱傳導(dǎo)（Conduction）

物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時，能量傳遞的最根本形式（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）本身因為結(jié)構(gòu)不似固體緊密.我們又有另外一個專有名詞來形

容它，叫做熱擴(kuò)散（Diffusion）.假設(shè)諸位看官真有興趣的話，不妨把

下面的公式熟記，對以后您專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成，抑或是將來更深入的技

術(shù)，探討彼此的溝通都非常有幫助（這可是入門的第一招式，千萬別

放棄您當(dāng)專業(yè)消費者的權(quán)益了?。?另外，為了防止您一開始走火入魔,

請容我先將所有的單位（Unit）都拿掉.

Q=K*A*AT/AL

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）；請記住，它代表材料的熱

傳導(dǎo)特性，就像是出生證明一樣.假設(shè)是純銅，就是396.4；假設(shè)是純

鋁，就是240；而我們都是人，所以我們的皮膚是0.38,記??！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；AL那么是兩端的距離.

讓我們來看一以下圖標(biāo)，更加深您的印象!

Wo

1690783

1658474

[626165

1593855

561546

1529237

496928

46461g

432309

40.

熱傳導(dǎo)后溫度分布

銅材的導(dǎo)熱系數(shù)高,經(jīng)過熱傳導(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，那么傳熱越好!）而跟厚度（距離）成反比.

好，有了這個觀念,現(xiàn)在讓我們把焦點轉(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.就是因為它的熱導(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，容我先賣個關(guān)子）.

嘿，嘿，聰明的讀者，您一定也發(fā)現(xiàn)了一個問題，散熱片的底部厚

度好象越來越厚耶!如果照我說的話,那不是傳熱效果越差了嗎？如

果您會問這個問題?先恭喜您！您已經(jīng)有本領(lǐng)報名英雄大會了.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.

請諸位海涵！

2.）熱對流（Convection）

流動的流體（氣體或液體）與固體外表接觸，造成流體從固體外

表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)動的方式將之轉(zhuǎn)換折成貌和神離的兩招，分別是

A.）自然對流（NaturalConvection）：

流體運動是來自于溫度差.溫度高的流體密度較低，較輕會向上

運動.相反的，溫度低的流體那么向下運動.所以是流體受熱之后產(chǎn)

生驅(qū)動力.（這里各位要牢記一件事，只要溫差，沿著重力場方向的流

體就會開始運動，帶走熱量?。?/p>

B.）強(qiáng)制對流（ForceConvection）：

顧名思義，流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動力如風(fēng)扇驅(qū)動而產(chǎn)生運動.驅(qū)

動力往那兒吹，流體就往那兒跑，與重力場無關(guān).不是很了解對吧！百

聞不如一見，脫掉你寶貝計算機(jī)的灰白色夾克.您應(yīng)該會看到如以下

圖所示的精采內(nèi)臟.

晶片稅散燃片（自然處流）CPU散熱片（強(qiáng)制封流）

如此清楚了嗎？芯片組散熱片不加風(fēng)扇，利用的是自然對流將熱

量帶走，表示熱量不高（一般來說介于3瓦~8瓦）.至于CPU那么因為

熱量較高（尤其是桌上型計算機(jī)，至少都在30瓦以上），自然對流的

散熱量缺乏以帶走廢熱，因此得利用到風(fēng)扇驅(qū)動.至于更詳細(xì)的各種

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!），還有自然太流及強(qiáng)制對流在散熱片設(shè)

計上的考量差異性，我會在往后的篇幅中乂專題的方式撰寫.讓各位

不但對電子散熱有所了解，更知道整條電子鏈的運作模式.

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,

請千萬小心,步步都是富貴險中求.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，實那么風(fēng)陰濤涌的領(lǐng)域（包括筆者都曾

差點兒翻不了身）.一那么是從此開始.您才真正進(jìn)入“散熱”的大堂.

一那么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）.我想試問各位一生中有多少次時機(jī)看到風(fēng)扇是怎么吸空

氣；又是怎么把空氣吹出來的？我們換個角度想，要讓流體產(chǎn)生運動，

一個必要的因素是什么？知其然，更要知其所以然，道行高的您或許

已開始發(fā)出會心的一笑，還不了解的看官也別擔(dān)憂，這運功煉氣可

是半點兒急不得.漸納慢吐，氣通任督灌丹田，才是習(xí)知之道.

Q=H*A*AT

Q為熱對流所帶走的熱量.

H為熱對流系數(shù)值（HestTransferCoefficient）.

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

飄渺的一個參數(shù)了.它既不是材質(zhì)特性，更不是什么散熱標(biāo)準(zhǔn).說穿

了還真有點兒好笑.這是老祖先想破了頭還是一無所知的情況下，直

接寫下的腳注.不信嗎？敢問諸位高手，只聽過H是隨著流體狀態(tài)；流

場形式；固體外表形狀的影響而改變的“常數(shù)”值（例如：垂直方向的

平板流H=10~20,最多是個H與速度的幾次方成正比關(guān)系），從沒看過

哪一個方程式是可以解出H值的.（道道地地，不折不扣的”經(jīng)險值

”！?。?/p>

A代表熱對流發(fā)生時的“有效”接觸面積.這里我要再一次強(qiáng)調(diào).外表

積大只是好看，有效外表積也大那才夠?qū)嵲?至于什么是“有效"，將

來我會舉一些活生生的實例給各位看，到時候可別合不攏嘴.散熱片

的變化無窮，主要在于它的鰭片設(shè)計，一個設(shè)計良好的鰭片.會內(nèi)外

兼顧，不但跟空氣的接觸外表積大，而且大的很實在?否那么花那種

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，有時設(shè)計者

不得不作一些妥協(xié)與讓步.

AT代表固體外表與區(qū)域流體(LocalAmbient)的溫度差.這里就更驚

險了.散熱片的設(shè)計，一個不小心就會跌入這個要命的陷阱里，它跟

上面的所謂“有效”接觸面積還真有那么一點關(guān)系，我留一點兒空間

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.因為不管自

然對流或強(qiáng)制對流,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經(jīng)濟(jì)實惠的方式.殊不

知地球大氣運行時的妙用無窮，我們換一個角度想，能量守恒定律，

或許您也能參詳一二,周圍盡是用不完的空氣，不拿它來出出氣，怎

么說也是暴斂天物，您說是嗎？

下一次我們再談另一個能量傳遞的方式(它也是“散熱”的一員，

只是平時韜光養(yǎng)晦，深藏不露，但發(fā)起威來，套句廣告詞凡人無法

檔").而且角色變化多端，非常有個性，也是筆者最喜歡的一個，請容

我在此先擱筆.咱們下次再談！散熱，吸熱，還是絕熱重要？

接下來介紹的，可又是散熱的一名角兒.只是它的名氣沒“熱對流”來

的大，一般說來在主動式散熱片(ActiveCooler)的散熱比例上占的

份量也有限，所以大伙兒常忽略它.可是它在實際生活中扮演的角色

可豐富了.您加熱時絕對有它，散熱時它也有份，當(dāng)要絕熱時，更不能

沒有它，更夸張的是，少了它，地球的生態(tài)環(huán)境瞬間就會失衡，看下去

口巴，向您鄭重介紹……

3.）熱輻射（Radiation）

假設(shè)說上一招“熱對流”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，絕無誑語.別看它又清風(fēng)，又明月的.真發(fā)起來,

那可是招招重手，決不留情.（您以為炎炎夏日太陽的熱情是靠熱傳

導(dǎo)或熱對流招呼到您身上的嗎？再舉個更生活的例子，沒用過也看過

燈管式電暖氣吧？再告訴您一個小秘密，筆者求學(xué)時就曾經(jīng)利用180

瓦的工地用鹵素大燈兩個煮三人份的火鍋，不蓋你，這些都得拜熱輻

射所賜!）這說完它加熱的好處，我留一點篇幅稍后再解釋它與散熱,

絕熱的關(guān)系.讓我們先把焦點轉(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

可是對任何生物都會造成傷害性的輻射線耶！不要疑心，雖不中亦不

遠(yuǎn)矣，它們還真有血源關(guān)系呢，這一部份因為是筆者最喜歡的一種

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

n（ThermalDigitalSignal）的波的形式達(dá)成熱交換.既然是波，那就

會有波長,有頻率，而所謂波的能量，就是頻率乘上一個叫做普郎特

的常數(shù)（Planck'sConstant），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月中午的太陽下站不住五分鐘了吧！其實您還得感謝地

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，咱們再回到主題，既然不需要介質(zhì)，那就得靠物體與物體外

表的熱吸收性與放射性來決定熱交換量的多寡.我們統(tǒng)稱為物體外

表的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于0~1之間，是屬于物體的外

表特性，有一點兒像熱傳導(dǎo)系數(shù)(Conductivity)都屬于材料特

性.(其實吸收性(率)與放射性(率)是一樣的，我稍后解釋.嚴(yán)格來

說，物體外表的熱輻射特性有三種，分別是吸收率，反射率和穿透率.

這三者加起來的值和為1,像是玻璃，它的能量穿透性很強(qiáng)，所以相對

的吸收性與反射性便較弱).讓我們看一下它的公式吧

Q=e,s?F?A(T4)

Q為物體外表熱幅熱的熱交換量.我在這兒強(qiáng)調(diào)是熱交換量而不是

帶走的熱量.因為公式本身牽涉到兩個外表在進(jìn)行輻射熱交換，當(dāng)假

設(shè)其中一個外表不存在時，那么存在的外表便假設(shè)是與某一有限遠(yuǎn)

的固定大氣溫度進(jìn)行熱交換.

e物體外表的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于0~1之間,是屬于

物體的外表材料特性，這一局部當(dāng)物質(zhì)為金屬且外表拋光如鏡時，熱

輻射系數(shù)只有約0.02~0.05而已，而當(dāng)金屬外表一但作處理后(如外

表陽極處理成各種顏色亦或噴漆，那么熱輻射系數(shù)值立刻提升至。.5

以上，如以下圖所示當(dāng)散熱片外表處理成綠色后，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，只是一個常數(shù).

F是里面最玄的一個，洋文叫做ExchangeViewFactor,中文應(yīng)該說

成是輻射熱交換的視角關(guān)系，它其實是一個函數(shù)，一個跟兩個外表所

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

寫下去，以免各位看官承受不住.

A(T4)最后這個算是最好說的,但也最容易被一般剛?cè)虢哪贻p

人弄錯的.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是外表a的溫度而Tb是外表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，假設(shè)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：

IntelPentiumIV的CPU

在紅外線攝影機(jī)下拍到的熱像就是那樣,金屬帽因為熱輻射系數(shù)低,

相對熱輻射量就小，所以顏色溫度低，而芯片基板上外表是接近樹脂

材料所以熱輻射系數(shù)較高，相對熱輻射量就大，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好的輻射散熱體，那

相對的它也絕對會是一個好的輻射吸熱體，這吸熱與散熱就端看物

體外表本身的溫度與周圍或另外一個物體外表的溫度是高是低.假

設(shè)是高，那么熱便會藉由熱輻射散出去，反之熱就會被吸收進(jìn)來.而

通常在熱對流效應(yīng)相對很強(qiáng)的情況下(尤其是裝風(fēng)扇的CPUCooler),

熱輻射量相對就有限，它與之前所說的熱對流散熱效應(yīng)比較起來，幾

乎是可忽略的一環(huán).但是，反過來說一像部份芯片的被動式散熱片

(ChipsetHeatsink),它的熱對流散熱效應(yīng)較不明顯，反而會使得熱

輻射散熱效應(yīng)相對提高，有時甚至?xí)汲^30%的總散熱量.

這兒之所以我們稱它散熱的原因，就是因為我們所談的散熱片

都是裝附于熱源上，通常它的溫度都會比周闈環(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，保溫瓶內(nèi)

為什么要用絕熱體包附水銀膽呢？給您一個提示?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

收太陽的輻射熱，不會有過熱的問題嗎？衛(wèi)星上一樣有高精密的電子

組件，耶！重點就在于衛(wèi)星面向太陽的外表有一層反射率非常高的披

覆層保護(hù)著，讓太陽的熱輻射量，除了太陽能板之外,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"熱”這個現(xiàn)象已有初步的概念了呢?別著急，將來有一天你

也會跟筆者一樣對它又愛又恨的呢!話又說回來，吸熱，散熱，絕熱其

實各有所長，也各有其應(yīng)用于熱的時機(jī)，端看您的應(yīng)用領(lǐng)域而有所區(qū)

別，其實，大部份時候它們還是相互交會運用的時機(jī)較大呢！

好，我假設(shè)各位對所謂的熱傳遞形式熱傳導(dǎo)(Conduction),熱對

流(Convection),熱輻射(Radiation)都有了初步的認(rèn)識，讓我?guī)透?/p>

位整理一下思緒，把焦點轉(zhuǎn)回到CPUCooler的根本架構(gòu)上，一塊一塊

的剖開來定義清楚，現(xiàn)在讓我們進(jìn)入到下面的這張圖片去：

①風(fēng)扇

②扣具

③散熱片（鰭片部份）

④散熱片（底板部份）

⑤熱導(dǎo)介質(zhì)

⑥CPU

⑦Socket

⑧主板

（1）風(fēng)扇：熱對流組件，功能上就在于驅(qū)動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，并加上風(fēng)扇本身驅(qū)動流場的甩動

特性，提高了之前所提到過的熱對流系數(shù)值（HestTransfer

Coefficient）.藉此提高熱對流的散熱效果.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的外表上，但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)散熱片底板與熱源接觸面受力

越大,那么固體外表間的接觸熱阻抗越小，所以，扣具的研發(fā)，也慢慢

轉(zhuǎn)型為針對散熱片受力均勻性為重點.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，扣具也算是半個熱傳導(dǎo)組件.

（3）散熱片（鰭片部份）：我們細(xì)分這個部份，它算是連接（吸熱）熱傳

導(dǎo)與熱對流及熱輻射（散熱）的最重要管道，因為散熱的三大最根本

條件就是"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，外表陽極處理也

是一個非常重要的工藝，它不僅僅是設(shè)計上的美觀，更牽涉到輻射熱

交換量的多寡，所以，鰭片設(shè)計的好壞，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)計上的考量(有的是以吸熱為主；

有的是以散熱為主)，但假設(shè)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，鋁條假設(shè)有知，也一定會暗自掉淚

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，吸熱的致命關(guān)鍵就在克服

與熱源的接觸熱阻(ContactResistance)及熱傳到底板之后的擴(kuò)散

熱阻(SpreadingResistance)，所以，底板的設(shè)計可也是絲毫茍且不

得的.殊不知所有的源頭就在于熱如何被有效的帶出來，連源頭都處

理不好，更別談接下來的散熱了.看官們可以參照產(chǎn)品評估報告，互

相比較，便知其中微妙.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,

姑且不管其好壞，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，您假設(shè)不怕CPU冒煙的話，下次換一般黏土玩玩看，

保證有趣的要命，(筆者曾測試過，那種坐云霄飛車的快感，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，將來筆者會針對一系列不同材料評估比較給

您知道.

（6）CPU：熱源，這邊假設(shè)細(xì)談會牽涉到封裝制程，要說好一陣子（包括

所有的封裝演進(jìn)史與開展過程），筆者再選適當(dāng)時間表達(dá).

（7）（8）Socket與主板，這兒筆者之所以要把這兩項放在一起談，就

是因為散熱的考量，其實，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，告訴您一個重點，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)，電源供給器

（不斷電系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī)….都曾/主板這帖不可多得的散熱

藥材下過一翻工夫.

說到這兒，必須對這次的主題下一個結(jié)語了，單刀直入,散熱還

是您我最關(guān)心的重點，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，還不到時候，多想無益,往后，筆者會針對吸熱與散

熱的重點（當(dāng)然是深入淺出，而且包容萬象）一五一十表達(dá)，讓大家從

此踏入這個領(lǐng)域，一窺這百家爭鳴的熱鬧與璀璨.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導(dǎo)游一起體會

這無限的熱疆界

資料1

散熱

在普通的數(shù)字電路設(shè)計中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因為

低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升

不會太大。隨著芯片速率的不斷提高，單個芯片的功耗也逐漸變大,

例如：Intel的奔騰CPU的功耗可到達(dá)25WO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，就需要使用

適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒獗頍岬尼尫?，使芯片工作在正常溫?/p>

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，對流是借助流體的流動傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒

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

同時使用。散熱器通過和芯片外表的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)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

擴(kuò)展的外表使熱的輻射大大增加，同時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外表,

另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上，提高整個空間的空氣流速。與電路

計算中最根本的歐姆定律類似，散熱的計算有一個最根本的公式：

溫差二熱阻X功耗

在使用散熱器的情況下，散熱器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代表，

這樣熱流由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在，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產(chǎn)生電壓降一樣。同

樣，散熱器與芯片外表之間也會存在一定的熱阻。熱阻的單位為℃

/Wo選擇散熱器時，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)。下面舉一個電

路設(shè)計中熱阻的計算的例子來說明：

設(shè)計要求：芯片功耗：20瓦

芯片外表不能超過的最高溫度：85℃

環(huán)境溫度（最高）：55℃

計算所需散熱器的熱阻。

實際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取作為近似。那么

[R+0.1）X20W=85℃-55℃

得到R=1.4℃/W

只有中選擇的散熱器的熱阻小于1.4七一時才能保證芯片外表溫度

不會超過85℃。

使用風(fēng)扇能帶走散熱器外表大量的熱量，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

用一張表來表示。如下例：

風(fēng)速（英尺/秒）熱阻(℃/W)

03.5

1002.8

2002.3

3002.0

4001.8

散熱2

我用78057810如何計算散熱片尺寸？

以7805為例說明問題。

設(shè)I=350mA,Vin=12V,那么耗散功率

Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W

按照TO-220封裝的熱阻。JA=54，C/肌溫升是132(,設(shè)室

溫25℃,那么將會到達(dá)7805的熱保護(hù)點150℃,7805會斷開輸出。

正確的設(shè)計方法是：

首先確定最高的環(huán)境溫度，比方6(TC,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，T0-220封裝的熱阻0JA=54℃/W,

TO-3封裝（也就是大家說的“鐵殼”）的熱阻。JA=39t/W,均高于

要求值，都不能使用〔雖然達(dá)不到熱保護(hù)點，但是超指標(biāo)使用還是

不對的）。所以不管那種封裝都必須加散熱片，資料里講到和散熱

片的時候，應(yīng)該加上4七八￥的殼到散熱片的熱阻。

計算散熱片應(yīng)該具有的熱阻也很簡單，與電阻的并聯(lián)一樣，

即54〃x=26,x=50℃/Wo其實這個值非常大，只要是個散熱片即可

滿足。

國產(chǎn)散熱器廠家其實就是把鋁型材做出來，然后把外表弄

黑。熱阻這種最根本的參數(shù)他們恐怕從來就沒有聽說過。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

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，

目源模塊本身發(fā)熱的上下，主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率c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）。電源模塊外殼散熱外表積的大小直接影響溫升。對于溫升的

粗略估計可以使用這樣的公式：溫升二熱阻系數(shù)’模塊功耗。熱阻系

數(shù)對于涂黑紫銅的外殼P25XXX(用于SMPT250系列產(chǎn)品的外殼)來說

約為3.76。C/Wo這里的溫升和系數(shù)是在模塊直立，并使下方懸空

1cm,自然空氣流動的情況下測試的。

對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左環(huán)境的熱阻，主要影響散

熱器熱阻的因素是散熱器的外表積。同時考慮到空氣的對流，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流，

例如：當(dāng)使用的模塊輸出功率為100W,效率為82%時，滿載時模塊

的功耗為：100/0.82-100=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

1.9,22=42°Co

散熱3

包含熱模型的新型MOSFETPSPICE模型

FilippoDiGiovanni,GaetanoBazzano,AntonioGrimaldi

意法半導(dǎo)體公司

St.radalpPrimosolp,50-95121-Catania,ITALY

+39

可郵：Email：

摘要：功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來越高，發(fā)熱問題越來越嚴(yán)重，這

種功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計對現(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)計和驗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，這個模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動態(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)動電路、負(fù)

載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設(shè)計?？梢岳眠@個模型來改善散熱

器的設(shè)計。由於決定功率損耗的參數(shù)參差不齊，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)計往往由於無法預(yù)先知道

功率損耗而無法進(jìn)行。

1.引言

散熱器在計算時會出現(xiàn)誤差，一般說來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，平安的裕度可能離開

最優(yōu)值很遠(yuǎn)。現(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)測功率損耗和熱設(shè)計的校核方面做一些改良。然而，為了確

保長期可靠性，運用復(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)維持在一個預(yù)定的數(shù)值以下。動態(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)行測量，并且用閉路控制的

方法來修正。

2.熱阻

發(fā)散出去的功率Pd決定於導(dǎo)熱性能，熱量流動的面積以及溫度

梯度，如下式所示：

Pd=K*An?dT/dx⑵1)

式中An是垂直於熱量流動方向的面積，K是熱導(dǎo)，而T是溫

度。可是這個公式并沒有甚麼用處，因為面積An的數(shù)值我們并不知

道。對於一只半導(dǎo)體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示：

PFAT/Rm(2.2)

以及

Rth=AT/Pd(2.3)

其中AT是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量，Pd是功率損耗，而

Rm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

確定?？紤]到熱阻與時間兩者之間的關(guān)系，我們可以得到下面的公

式：

e

Zth(t)-Rth[l-exp(-t/T)](2.4)

其中(是所討論器件的半導(dǎo)體結(jié)至外殼之間的散熱時間常數(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：

AT(t)=Pd?Z/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

表不：

△T(t)=Pavg(t)?Z+(t)(2.6)

其中Pavg(t)是散發(fā)出去的平均功率。作這個假定是合情合理

的，因為瞬態(tài)過程的延續(xù)時間比散熱時間常數(shù)短。由於一只MOSFET

的散熱時間常數(shù)為100ms的數(shù)量級，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”來表示

ThermalImp^lsnceForTO-220/D2PAK/I2PAK

圖izth(t)瞬態(tài)熱阻

3.SPICE的實現(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。

可以看到，由SPICE內(nèi)的MOSFET模型，并不能以溫度結(jié)點的形

式直接得到溫度。然而，可以用圖4中所示的“竅門”來解決這個

問題。

為了做到這點，把MOSFETMl表示成為一個普通的Level-3M0S

模型加上一個電路。晶體管Ml僅僅是“感知”溫度，溫度是指

通用的SPICE變量“Temp”。為了評價溫度對漏極電流的影響(由Ml

我們只能夠確定在溫度“Temp”例如在27。C時，電流隨著漏極

可壓的變化)，增加了電路G1o這部份電路可以看成是電流受控制

的電流產(chǎn)生器：

Id(G,)=L(Ml)?f(VGSfVwTj,VTfh)(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Ml的模型有關(guān)，因而可以建立模擬量行為

模型(ABM)o

4.計算Tj(l)

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，然接將功率損耗乘以熱阻就可以得到模型

的溫度。在電路中，熱阻Zm(t)的數(shù)值是用電壓來表示的，使用的

符號為V(Z/t))。參看模型G2,現(xiàn)們來計算Ml的瞬時功率損耗：

Pd(t)-VDSGI(t)?IDGI(t)(4.1)

其中

IDGI(t)=IdMl(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)然是與時間有關(guān)的，因為這個參數(shù)

是隨著模擬仿真的進(jìn)行而改變的。因此，平均功率損耗Ree(lk)

是變化的，它代表從模擬仿真開始到時刻tk這段時間的功率損耗的

平均值。熱阻曲線Zth(t)可以以不同方式納入到這個模型中。我們

可以把單個脈沖響應(yīng)用於Cauer或者Foster網(wǎng)絡(luò)。我們也可采用a)

列表來表示，b)電壓產(chǎn)生器VPLLSE,c)一種鼓勵電壓產(chǎn)生器。芯

片溫度增高的平均值A(chǔ)Tjc(t)決定於Pit),再乘上“(t)c

因此Tj-c(t)可以用下式表示：

Tj-c(t)=Pave(t)?Zth(t).+Tcase(4.4)

其中Tease取等於環(huán)境溫度。

5.模擬仿真結(jié)果及測量結(jié)果

在柵極驅(qū)動信號為不同類型的情況穴進(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

SuperMESHTMSTP14NK50ZFP高電壓MOSFET測量得到的，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)：

BVDSSRDS(on)

STP14NK50ZFP><0.38

500V

(T0-220FP)

在很寬的溫度范圍上進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖7示。

-50V

nx-

圖2不同溫度Tj時的輸出特性曲線（實測結(jié)果）

圖3在不同的Tj時的輸出性曲線（模擬結(jié)果）

圖4電路圖

圖5在10V時的RDS(on)(模擬結(jié)

果)

則

圖6在10V時的RDS(on)(實測結(jié)果)

圖7在10V時的VDS(on)(模擬結(jié)果)

圖8在10V時的VDS(on)(實測結(jié)果)

n“MMIfv.m*net.ittainsx”n.m%rt.iete

?g?Rm.i|.g

殖?IM

圖9（從上至下）：

A）Tj隨時間的變化

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，利用這個模型，設(shè)計人員可以確定硅芯片在瞬變過

程中任何給定時刻的平均溫度。這個電路包含電氣特性和熱特性之

間的動態(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。這個模型也可以用於其它的半導(dǎo)體器件，包括雙極型晶體管。

可以相信，這里提出的模型可以用於對器件的熱性能進(jìn)行全面

的分析，從而改良它的長期可靠性。

7.致謝

本文作者借此時機(jī)感謝在Catania的MOSFET和IGBT產(chǎn)品技術(shù)

和市場部的珍貴建議和支持。

參考文

1.B.J.Baliga,ModernPowerDevice.

2.Dr.P.Turkes,Dr.M.M?rz,P.Nance,SPICEModelsfor

SIPMOSComponentsApplicationNote.

3.JonMarkHancockSiemensMicroelectronicsA

HierarchicalCross-PlatformPhysicsBasedMOSFETModelfor

SPICEandSABER.

5.Dr.JohnW.SofiaFundamentalsofThermalResistance

Measurement.

6.Dr.JohnW.SofiaElectricalThermalResistance

MeasurementsforHybridsandMulti-ChipPackages.

技術(shù)交流_2003年1月30日

資料5

傳熱過程中的根本問題可以歸結(jié)為：

1、載熱體用量計算

2、傳熱面積計算

3、換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4、提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。

解決這些問題，主要依靠兩個根本關(guān)系。

(1)熱量衡算式根據(jù)能量守恒的概念，假設(shè)忽略操作過程中的熱

量損失，那么熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。即Q熱二Q

冷，稱為熱量衡算式。由這個關(guān)系式可乂算得載熱體的用量。

[2)傳熱速率式換熱器在單位時間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速

率，以Q表示，其單位mo實踐證明，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S成正比，即：

Q=KSAtm(3-1)

S=rurdL(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)，它說明了傳熱設(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，mo

假設(shè)將式(3-1)變換成以下形式：

Q/S=Atm/(l/K)(3-3)

式中：△tm----傳熱過程的推動力，℃

1/K——傳熱總阻力(熱阻)，m2-℃/Wo

那么單位傳熱面積的傳熱速率正比于推動力，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力和降低熱阻C

另一方面，從式(3-1)可知，如杲工藝上所要求的傳熱量Q己知,

那么可在確定K及△tm的根底上算傳熱面積S,進(jìn)而確定換熱器的

各局部尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本章主要介紹應(yīng)用這兩個根本關(guān)系解決上述四個問題。介紹的范圍

以穩(wěn)定傳熱為限。所謂穩(wěn)定傳熱是指傳熱量與時間無關(guān)，即每單位

時間內(nèi)的傳熱量為定值。反之，傳熱量隨著時間而變的那么是不穩(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進(jìn)行，凈的熱

流方向總是由高溫處向低溫處流動

第三節(jié)傳熱計算

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，不管是熱流體，還是冷流體或固體壁面，各點

的溫度不隨時間而變，故屬于

穩(wěn)定傳熱過程。我們主要討論穩(wěn)定過程。

傳熱計算主要有兩方面內(nèi)容：一類是設(shè)計計算，即根據(jù)生產(chǎn)要求的

熱負(fù)荷確定換熱器的傳熱面積

;另一類是校核計算，即計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算的根底。

一、熱量衡算

對間壁式換熱器作能量衡算，因無外功參加，且位能和動能項均可

忽略，故實際上為焰衡算。

1.焰差法

Q=qm,h(Hhl-Hh2)=qm,c(Hc2-Hcl)

式中qm---質(zhì)量流量，kg/s

H--單位質(zhì)量流體的始，J/kg

2.顯熱法

3.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：

1.熱流體在流動過程中把熱量傳給管壁；

2.通過管壁的熱傳導(dǎo);

3.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，那么其溫度保持不變。當(dāng)兩側(cè)均為變溫時，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5-9所示。

對一側(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，那么在穩(wěn)定傳熱時可用以下方法計算平均溫度差。

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：

1.加熱時，假設(shè)冷液體的初溫終溫處理量以及熱流體的初溫一定

由于逆流時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

的情況相似，冷流體消耗量有

可能小于順流者。

2.完成同一傳熱任務(wù)。假設(shè)熱冷流體消耗量相同，由于逆流的對

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，它主要用于加熱時必

須防止溫度高于某一限定溫度，或冷卻肘必須防止溫度低于某一限

度的場合。

在實際換熱器中，往往還伴有更復(fù)雜的情況。一種是兩液體的流動

不是平行而是正交的，這種流

動方式稱為錯流。第二種情形是兩流體雖作平行流動，但對一局部

管子而言屬順流，對另一局部

管子而言屬逆流，這種流動稱為折流。

對于錯流和折流，其平均傳熱溫差可用下法求?。?/p>

首先將冷熱液體的進(jìn)出口溫度假定為逆流操作下的溫度，求取其對

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，投資和維修費用也隨

之增加。要看傳熱量的增加數(shù)

值能補(bǔ)償費用上的增加。

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)溫度的方法，

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

杈據(jù)熱阻的分析，一般金屬間壁的導(dǎo)熱熱阻是較小的，所以強(qiáng)化措

施通常不放在此點上。但當(dāng)這

項熱阻占有顯著分量時，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，防止污垢形成或經(jīng)常去除垢層成為很

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，提高湍動程度，減小

層流內(nèi)層厚度，均有利于提高外表傳熱系數(shù)。

第四節(jié)外表傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

用牛頓冷卻定律處理復(fù)雜的對流傳熱，實質(zhì)上是把一切復(fù)雜的影響

因素均集中于外表傳熱系數(shù)。

因此，對對流傳熱珠形容便轉(zhuǎn)化為對各種具體情況的外表傳熱系數(shù)

的研究。

一對流傳熱的準(zhǔn)數(shù)方程

（一）影響對流傳熱的因素

實驗說明，影響外表傳熱系數(shù)的因素有以下幾個方面:

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外表傳熱系數(shù)。牛頓型流體和非牛頓型

流體也是這樣。流體有無相變

化，對傳熱有明顯不同的影響。

2.流體的流動狀態(tài)

流體擾動程度愈高，層流內(nèi)層的厚度愈薄，對流傳熱系數(shù)也就愈大。

3.流體流動的原因

自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各局部流體的密度不同,

引起流體質(zhì)點的相對位移。

強(qiáng)制對流是由于如泵攪拌器等外力的作用迫使流體流動，通常強(qiáng)制

對流的外表傳熱系數(shù)比自然對

流的外表傳熱系數(shù)大得多。

4.流體的物理性質(zhì)

對外表傳熱系數(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

,流體和壁面間的對流傳熱也不同。

5.傳熱面的形狀大小及位置

管板管束等不同形狀的傳熱面，管徑管長或板的高度，管子排列方

式，水平或垂直旋轉(zhuǎn)等都影響

外表傳熱系數(shù)。

（二）量綱分析法

綜上所述，影響對流傳熱的因素很多。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

過實驗得到數(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)，符號為，即：

2.雷諾數(shù)，或稱流動數(shù)，即：

3.普朗特數(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，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。計算特征數(shù)式中各特征數(shù)時，其所含的物性的數(shù)值應(yīng)根

據(jù)訪式所指定的溫度來確定。

此溫度稱為定性溫度。一般是選取對傳熱過程起主要作用的溫度人

微言輕定性溫度。

定性尺寸。計算特征數(shù)式中含幾何尺寸的特征數(shù)時，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流體流動和傳熱有決定影響的固

體外表尺寸。例如管內(nèi)流動傳

熱用內(nèi)徑，管外對流傳熱用外徑，套管間隙內(nèi)的傳熱用當(dāng)量直徑等。

二流體無相變時的對流外表傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

（一）流體在管內(nèi)強(qiáng)制

（二）流體在管外強(qiáng)制對流

（三）自然對流外表傳熱系數(shù)

三流體有相變時的外表傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

沸騰和冷凝時的傳熱發(fā)生有相變的傳熱。在沸騰和冷凝時必然伴隨

著流體的流動，故沸騰和冷凝

傳熱同樣發(fā)生對流傳熱。

（一）蒸汽冷凝時的對流傳熱

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）液體沸騰時的對流傳熱

液體沸騰的主要特征是汽泡的形成及其運動。

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)歷如下四個階段：

①自然對流階段

②泡核沸騰階段

③膜狀沸騰階段

④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是汽泡

在加熱面上形成和開展，并脫離外表而作上升運動。因此，但凡影

響汽泡生成強(qiáng)度的因素，均能

影響沸騰外表傳熱系數(shù)

3.液體沸騰外表傳熱系數(shù)

資料6

科友熱傳技術(shù)

理想中的散熱

這是各材料間熱傳導(dǎo)能力的比較圖表

Thermalresistanceof

variousmaterials

設(shè)計散熱器的根本概念，可以精簡成一個數(shù)學(xué)方程式，它代表了排

除外界因素后，兩個導(dǎo)體間的熱能對流：

Iw=??x(T1-T2)x(I/A)

我們一個個簡單說明吧：1W代表兩個不同物體〔材料）間，假設(shè)有

溫度上的差異（T1與T2）存在時的熱能對流量。I代表兩的物體間

的距離，而A那么代表外表積。Gamma代表的是熱傳導(dǎo)系數(shù)。大致看

一下這個方程式，您就會了解理想中的散熱器設(shè)計應(yīng)該要有怎樣的

品質(zhì)了。溫度差距（T1-T2）是造成熱對流的因素，另外它也會大大

的被材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)（gamma）以及散熱外表積所影響。我想這些

應(yīng)該充分說明了根本的概念了吧？

［風(fēng)冷散熱器］

對于現(xiàn)在的電腦產(chǎn)品而言，無論是預(yù)算上看，還是從實際

散熱效果上看，風(fēng)冷散熱是最好的方式。

（1）影響風(fēng)冷散熱器散熱效果的五大要素

A.散熱風(fēng)扇

B.散熱片

C.導(dǎo)熱介質(zhì)

D.扣具

E.環(huán)境（溫度）

（2）影響風(fēng)扇性能確實定工程

A.風(fēng)量

B.風(fēng)壓

C.轉(zhuǎn)速

(3)影響散熱片性能確實定工程

A.導(dǎo)熱系數(shù)

B.受風(fēng)面積

(4)影響導(dǎo)熱介質(zhì)性能確實定工程

A.導(dǎo)熱系數(shù)

B..熱阻

C.填充能力

(5)影響扣具性能確實定工程

A.應(yīng)力分布與大小

B.重心位置

(6)風(fēng)冷散熱原理

從熱力學(xué)的角度來看，物體的吸熱、放熱是相對的，但凡

有溫度差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處，

這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現(xiàn)象。而熱傳

遞的方式有三種：輻射、對流、傳導(dǎo)，其中以熱傳導(dǎo)為

最快。

熱源（CPU或其它部件）將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱介

質(zhì)，再由導(dǎo)熱介質(zhì)傳至散熱片基部，由基部將熱量傳至散

熱片肋片并通過風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對流，將熱量散

發(fā)到空氣中。風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣，流出熱空

氣，完成熱的散熱過程。

［風(fēng)冷散熱器的熱計算］

計算公式

A.傳熱量

B.散熱量

C.熱阻

說明

Q1：傳熱量

K：傳熱系數(shù)

△T1：平均傳熱溫差

Q2：散熱量（單位：W）

G：散熱氣流量（單位：kg/s〕

Cp：比定壓熱容（單位：kJ/kg-℃）

qv：需求風(fēng)量（單位：m3/min）

P：氣流密度（單位：kg/m3）

△T2：氣流溫差〔單位：℃）

R1：散熱片與環(huán)境熱阻（單位：℃/W）

資料7

揭開散熱鰭片的神秘面紗：根底熱學(xué)

時間：11/17/20029：44：03PM來源:蜂鳥工作室閱讀177次

1、序施

遁著富躺中央慮理器的疇服不斷成長，中央慮理器筐生的熱量也越

來越鷲人，古早的中央慮理器不需要散熱片，而現(xiàn)今的品即是不

安裝散熱片可能畬^毀，臺灣被耦卷資tK硬ti的裂造王閾，重月窗的

DIY凰氟擷懸盛行，而重躺硬髓的超頻也跟著大行其道，懸了符中

央慮理器的畤服能匏跑的更高，摩商跟著不斷的推出各式各檬的散

熟器，路上千奇百怪的超頻理^豺^出在本文中不言寸^如何

迤行超頻，而是嚏十封目前市面上最常冕的鰭片余吉情之空冷散熱器，

售I?式以^謾^的流if力擘和熱傅擘理來探前?其^^輿性

能之侵劣，或希望能演;提供^者一些正硅的覲念，或醇正一些常兄

的散熱

致t#：感翡寸sarion先生在文字、文意上的斟酌典校稿

2、理簫基磁:

所有物醴的熟傅可以分成三槿：熟僖醇、熟封流及熟幅射。一般而

言，熟幅射出去的能量太小，所以可以忽略不言十。因此在散熱鰭片

桂，最重要的雨他熟傅械制就是熟傅醇及熟封流。在一般霓月窗的散

熟裝置桂，熟傅醇的重要性或不至於熟封流，因卷道是能否揩晶片

崖生的能量傅送到鰭片的重要因素，但是想要降低溫度，熱封流就

估有很大的影警要素。因懸能量是由流it靠著封流的現(xiàn)象^是

強(qiáng)制封流或是自然封流］,把晶片崖生的能量給帶走。

3、比熟及熟傅醇保敷：

比熟跟熟傅醇保數(shù)造是雨槿不同的量值，但是很多人郤符他憑給搞

混了。

比都的定羲懸：罩位^量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一度

kJ

K（施工）），

而熟傅醇保數(shù)的定羲卷：每罩位房度、每度K,可以停送多少瓦數(shù)

W

的能量（由）。

^來，比熟的定羲是指出整ft內(nèi)能的燮化，但是熟僖醇/系數(shù)郤

是停送能量的能力。常看到某些硬H測就文章的作者，在文章中提

到：「某材料吸熱快散熱慢，所以如何如何」，肇者看到“吸熟快

散熱慢”造六彳固字在大惑不解，翻遍了手上有的HeatTransfer

耆籍，甚至是JournalofHeatTransfer^JournalofHeatandMass

Transfer等期刊也沒有看謾^似的理言缸,

抱持吸熱快散熱慢理^的硬it^^文章作者，多是察了黑他散熱

器的溫度升降狀魅就做出某某材料畬吸熟快散熟慢的推殊不知

吸熱快散熱慢最多只能用來描述某散熱片在某特定^^下的狀魅，

但是招吸熱快散熟慢常成是某槿材料的特性，那就犯了常兄以特例

由最根本的能量守恒覲念來看，一他系統(tǒng)如果吸熟快散熟慢，造表

示在罩位^^內(nèi)謹(jǐn)入此系統(tǒng)的熱能一直大於^^此系統(tǒng)的熱能，此

系統(tǒng)內(nèi)的熱能符不斷的增加，系統(tǒng)溫度就畬上升，如果吸熟快散熟

慢是道他系統(tǒng)的特性的言舌，道他系統(tǒng)畬出現(xiàn)溫度不斷上升，直到

整他系余充輾法負(fù)荷更多熟能而整他^毀的狀5兄。

但是事不畬出現(xiàn)道檬的狀況，因懸吸/散熱快慢跟熟傅醇保數(shù)、

熟封流保數(shù)及溫度梯度有吸/散熱快慢是不斷在建化的，沒

有一他系統(tǒng)畬有吸熟快散熟慢的特性，假^一他系統(tǒng)A原本慮於向

系統(tǒng)B吸取熱快，符熱散到系統(tǒng)C慢的情況下，系統(tǒng)A溫度畬不斷

的上升，如此A輿溫度梯度燮小，吸熟就畬燮慢，AMC^S

度梯度刖燮大，散熟就畬建快，因此系統(tǒng)A畬由吸熱快散熱曼的狀

熊逐漸建成吸/散熱速度相等的狀魅，一直到穗魅畤就畬建成吸散

熟速度相等，系統(tǒng)A的溫度不曾燮化。

4、表:修型腦片和HI柱型腦片:

在散熟器本身的熟傅桂，有造一他相常重要的因素：流ft流勤。而

是脩型鰭片跟IB柱型鰭片的差距，就是流II的流戴u在H1柱型鰭片

周圉，因卷流it的阻力較小，流it容易流勤，也因此容易帶走在m

柱的能量，加強(qiáng)了封流的效果，因此在相同面稹的散熱鰭片貍，H

柱型鰭片都畬比點:僚型鰭片有著更好的熟傅效果。造一方面的愿用

^例如:SwiftechMC462o

圜柱型鰭片：SwiftechMC462i:脩型解片:

流11在鰭片周圉的流勤性封於散熱可以言兌是有著很大的影警，越好

流勤的鰭片^^十越能得到較高的熱傅能力［相同面?。?造也就代表

著鰭片的排列方式，外型封於熱傅有著頗大的差累性。

5、散熱器底座厚??？熱阻的概念：

散熟器底座封於熟僖是否有影簪？有很多人畬人卷沒有。其^道是

因懸現(xiàn)P皆段鰭片使用的金^的熟傅醇保數(shù)較高（金呂、銅），外加厚度

不明所以影轡不容易看出來。有典趣的人可以做一^^膿，拿

一^高度1公尺，然彼在^^周圉用乾毛巾包起來，然接上

眉再用一散熱鰭片來作散熟。如此一肇者黑乎可以保瞪，不

需要太久就畬常械了。懸什麼？因懸徽鬼的熟傅醇保數(shù)雎然也頗

高，但是在^^內(nèi)部遢是畬有溫度梯度的存在。雎然^^內(nèi)部可以

容納頗多的能量，但是上唇的散熱鰭片不能得到較高的溫度梯度，

使得熟逸散的能力近乎沒有，而底部的晶片一直在停送能量給^

現(xiàn)，醇致雨端的溫差越來越大，於突破晶片可以忍受的最高溫度

而厚致富械。而追^^就是熱阻。常然也可以把^^^換成^^

1,或是空氯，造常械的速度就畬越明星力

^到道遏肇者想就畬有很多人可以聚一反三，了解扣具的用意在哪

To扣具不只是符鰭片固定在晶片上面，他的作用也是降低熱阻。

熱阻跟屋力也成逆相屢力越大都阻越小。那屋力越大不就越好?

假設(shè)晶片可以承受，那就很完美，但是造世界郤不是道檬完美的。

因此就有人在晶片跟鰭片之^抹散熱膏來填禱晶片跟鰭片之^

的空隙，降低熱阻。常然，如果晶片跟鰭片雨接斶平面是完美的平

面，那熱阻可以^是沒有，也因懸世界的不完美，所以輾法建成完

美的接斶平面，所以就有人畬特地替鰭片作提高平面度的工作“適

些都是懸了^^阻降低，增加晶片跟鰭片之^的都傅。不遇,肇者

建^不要太謾火了，因懸^^工作只逵成了熟傅醇，郤逵不成熟逸

散。

但造遏郤有一特殊的鷹用：銅底。

什麼要在鰭片底部加一薄銅片？原因

很曾罩，因卷銅的熟傅醇保數(shù)比^高,

所以可以更均勻的招能量傅送到金呂鰭

片的四周外圉鰭片。造是因懸金呂本身

的熟傅醇保敷不是輾限大，所以在金呂

鰭片桂面畬有溫度梯度的存在：中心

溫度敕高，四周溫度較低。然而熟傅的一彳固重要因素就是溫度梯度,

如此一來雎然中心有著較高的熟傅效果，但是鰭片四周郤比中心的

熟傅效果差，醇致整ft熟僖效果的減低。因此使用金同片求解:夾道溫

度梯度的不均勻冏題。雎然金同片增加了熟阻，但是增加了一黑占黠的

都阻郤大大加弓負(fù)了整ft鰭片的溫度均勻分布，可以^得多於失。

除了來I底，也有人使用銅柱（ex：下圈的ARKUA7528）,常然適

也是相同的原理。但是使用銅柱畤，封於氟流的慮理必須更加注意,

不然觸流凰械的氟流一出來焉上就被銅柱給擒回去，形成退流造成

能量的損耗。

6、高頻噪音：凰速封熟傅的影簪

肇者熬卷大局部的人都知道凰速越大，熟傅效果越好。理^上如此,

^除上也如此［考^直接吹入晶片的迤氮方式，不考^其他方式，

因懸其他方式不一定畬有比較好的結(jié)果，道遢得考流H封於鰭

片的影警］。因懸凰速越高，熱封流效鷹越強(qiáng)烈。但是造有黑他冏

題，是否一定只有高凰速才畬封熟傅有余首封性的影警？是否只有高

頻噪音才畬帶來高凰量？凰量是不是可以毫輾限制的提高？的碓，

凰速封於熟傅的影簪可以^接近余強(qiáng)封：在一定的速度之下。卷什麼?

大家想想太空梭的隔熱碟就知道了。常流ft磨擦所損耗的能量大於

所能帶走的能量之接，那麼就畬冕到鰭片溫度越來越高，甚至融化。

不謾造槿^趣的速度已^在音速以上了［以空氯而言，其他流ft不

一定］。道也就是^可以不用考^造檬的影警。如果，能以其他比

空氟黏滯性保數(shù)逮低的氟.if來常作迤氯，那麼就能以敕低的風(fēng)速得