热 设 计 讲 座

热设计讲座

（一）常用词汇和三种传热方式

热设计是设备开发中必不可少的环节。本连载将为大家讲解热设计中的常见词汇，然

后结合习题，学习三种传热方式及各种方式的作用，以及能够简化散热措施相关计算的“热欧姆定律”等。

关于“热”，最重要的定律是“能守恒定律”，因为热也是一种能量。热能出现后不会消失，只能转移到其他物体或转移成其他形式。也就是说，制造散热机构的目的，就是想办法让热尽快转移。水会蒸发但是不会消失，与热类似。下面就以水为例来解释热（图1）。水从水龙头中流出相当于发热，积存的水量（L）相当于热量（J），水位（m）相当于温度（K 或℃）。

图1：用水打比方，思考热的移动

从宏观来看，热是“能量的集合”，可以认为与水相同。热量的单位是“J（焦耳）”，温度（相当于水位）由单位时间产生的热能及其移动量决定，因此，热计算中主要使用的公式是热流量（J/s或W）。

根据能量守恒定律，能量是守恒的，但温度不守恒。守恒意味着加法成立，例如，1J 热量加上1J热量等于2J热量。但另一方面，就像容器改变大小后水位会发生变化一样，温度也会随状态改变，加法自然不成立。

根据守恒守恒定律，热能只能转移，因此，要想实现散热，就必须要把热释放出去。如果水龙头一直出水，容器（图1中的水箱A）的水位就会一直上升，最终灌满整个容器。而散热措施的作用，就是防止水位上升。因此，我们通过用管道将水箱A与其他容器（图1中的水箱B）连接的方法来放水。管道越粗，释放到水箱B里的水就越多，A的水位也就越低。这种对管道的控制就是热设计。

热设计中的常用词汇

电子产品中经常会用到“热阻”（K/W）这个词。在图1的示例中，连接A和B的管道越细，

水就越难流出，A和B之间的水位差也就越大。相反，加粗管道后，AB之间的水位差将会消失。这种阻碍水流动的作用就相当于热阻。举例来说，当热流量为1W、温度上升1K时，热阻就是1K/W。在热设计中，热阻扮演着非常重要的角色。因为只要知道热阻，就能构思出散热措施，例如“如果要制造热阻为5K/W的散热片，尺寸大约会达到50mm×50mm×30mm”、“热阻为0.1K/W、因此必须要有风扇”等等。

发热量和散热量也是热设计的常用词汇，但二者都属于“热流量”（W），表示1秒的时间中产生或转移的热量。

“热容量”（J/K）也是一个重要参数。热容量相当于图1中水箱A的底面积。如果底面积大，即使加入大量的水，水位也不容易上升。相反，如果底面积小，即使只加入少量的水，水位也会猛涨。热也是如此，如果是热容量大的大铁块，就算发热量大，温度也很难升高。相反，如果是热容量小的小塑料容器，哪怕发热量不大，温度也会迅速升高。

也就是说，热容量代表的是水位上涨1m需要注入多少L水，即使温度升高1K需要多少J热量。假设热容量为1J/K，热流量为1W。此时，1秒钟将有1J的热能流入；而每吸收1J的热量，温度会升高1K。因此，如果忽略热量的流失，1秒的时间中温度会升高1K。由此可知，只要知道了热容量，就能推算出温度的升降。

热容量等于“比热×重量”，计算非常简单（注1）。比热是单位质量物质的热容量，单位为J/kg·K（或J/kg·℃）。质量则是体积×密度。比热和密度都是物理性质，可以在手册中查到，而且，体积是由尺寸决定的，因此，只要知道材料和尺寸，就能计算出热容量。至于印刷电路板等复合材料，在计算出各种材料的热容量之后，相加即为总的热容量。（注1）热阻的计算方式因热传导、热对流、热辐射等热移动的方式而异，非常复杂。

“热流密度”（W/m2）在图1中指的通过管道时热流量的密度，也叫热通量。通常来说，通过的热量是发热量，发热量除以表面积即为热流密度。因为发热量代表发热能力，表面积代表散热能力，所以，热流密度就相当于发热能力与散热能力之比。因为物体内的热量只能通过该物体与空气接触的面、也就是表面释放，所以，在热量通过的部分中，表面积是最重要的条件。

热流密度与温度的上升量成正比，热流密度越大，温度上升越多。反言之，通过管理热流密度，可以使温度控制在一定水平以下。例如，在印刷电路板上安装部件时，热流密度等于部件的总发热量除以印刷电路板的总表面积。如果采用自然空冷，一般来说，热流密度达到400W/m2以上就容易发生故障，因此要控制在300W/m2左右。如上所述，通过计算热流密度，可以实现安全的设计。因此，在分割电路板时，要尽量考虑到热流密度，做到均匀分割。而且，不只是整块电路板，对于每一个部分也要遵循这样的思路。假设整块电路板的热流量为5W，如果把2W和1W的部件集中在一起，这一部分的热流密度就会增加，导致散热效率降低。

通过像这样综合管理整体和单独的热流密度，散热措施的设计会变得轻松许多。

传热有三种基本方式

下面来看热的转移。热转移的本质是物体内部的分子、原子、电子的动能向外传播。传热有“热传导”、“热对流”和“热辐射”三种方式（图2）。这三种方式有层次之分，并非平等关系。大致可以区分为“物质传热”和“电磁波传热”两种。热传导和热对流属于前者，是利用物质的振动传递热量的现象，热辐射属于后者。

图2：微观的热移动

传热方式有热传导、热对流、热辐射三种。热传导与热对流都是利用物质传热，热辐射则是通过电磁波传热。

首先，热传导依靠的是晶格振动的传播，以及金属中自由电子的移动。金属的电导率与热导率成正比。这是因为二者的原理相同，自由电子的移动越容易，金属就越容易导电、导热。因此，自由电子越容易移动（电阻小）的金属，热导率越高。

热对流是利用流体的运动传热。每一个分子的运动其实都是热运动，热运动会产生热能，在不受拘束的流体中，热能是以整体的形式流动。

第三个方式热辐射是经由电磁波的移动，无需物质。太阳热穿越宇宙空间抵达地球的现象就属于这种方式。携带电荷的粒子振动会产生电磁场，释放出电磁波。只要温度不是绝对零度，任何物体都在振动，物质必然释放电磁波。某种物质释放的电磁波在抵达温度较低的物体后，会激发振动，转化成热能。因此可以说，热辐射是在与可见的所有空间进行热交换。

热传导与热对流不是独立的现象。比如，把空气封闭在狭小的空间内时，空气将停止运动（热传导），但开放空间后，空气将恢复运动（热对流）。这样一来，根据缝隙大小的不同，空气时而发生热传导，时而发生热对流。但热辐射是与二者完全不同的现象，热传导不可能转化成热辐射。

如果按照热传导、热对流、热辐射三种方式，分别推导热移动的公式，公式将大相径庭。对于热设计而言，这样的情况很让人头疼。整合不同的公式费时费力，如果可能的话，公式最好相同。

这就到了“热欧姆定律”登场的时候了，具体内容将在下次介绍。

（二）热欧姆定律及三种传热方式在散热中的作用

热设计是设备开发中必不可少的环节。本连载将为大家讲解热设计中的常见词汇，然

后结合案例，学习三种传热方式及各种方式的作用，以及能够简化散热措施相关计算的“热欧姆定律”等。