热设计基础

热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律在开发使用电能的电子设备时，免不了与热打交道。

“试制某产品后，却发现设备发热超乎预料，而且利用各种冷却方法都无法冷却”，估计很多读者都会有这样的经历。

如果参与产品开发的人员在热设计方面能够有共识，便可避免这一问题。

下面举例介绍一下非专业人士应该知道的热设计基础知识。

“直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。

该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。

以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。

看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。

“怎么会作出这种设计？”“这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。

”“应该运用了很多魔术般的最新技术。

”“简直就是胡来……”大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。

PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。

既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。

在大家的印象里，什么是“热设计”呢？是否认为像下图一样，是“一个接着一个采取对策”的工作呢？其实，那并不能称为是“热设计”，而仅仅是“热对策”，实际上是为在因热产生问题之后，为解决问题而采取的措施。

如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢了。

但是，如果在产品设计的阶段，其思路存在不合理的地方，无论如何都无法冷却，那么，很可能会出现不得不重新进行设计的最糟糕的局面。

而这种局面，如果能在最初简单地估算一下，便可避免发生。

这就是“热设计”。

正如“设计”本身的含义，是根据产品性能参数来构想应采用何种构造，然后制定方案。

也可称之为估计“大致热量”的作业。

虽说如此，但这其实并非什么高深的话题。

如果读一下这篇连载，学习几个“基础知识”，制作简单的数据表格，便可制作出能适用于各种情况的计算书，甚至无需专业的理科知识。

第1章从“什么是热”这一话题开始介绍。

大家可能会想“那接下来呢”？不过现在想问大家一个问题。

热的单位是什么？如果你的回答是“℃”，那么希望你能读一下本文。

热是能量的形态之一。

与动能、电能及位能等一样，也存在热能。

热能的单位用“J”（焦耳）表示。

1J能量能在1N力的作用下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。

设备会持续发热。

像这样，热量连续不断流动时，估计用“每秒的热能量”来表示会更容易理解。

单位为“J/s”。

J/s也可用“W”（瓦特）表示。

不只是热量，所有能量都不会突然生成，也不会突然消失。

它们不是传递到其他物质就是转换为其他形态的能量。

比如，100J的能量可在100N力的作用下将物体移动1m。

使该“物体移动”后，能量并不是消失了。

比如，使用能量向上提升物体时，能量会以位能的形态保存在物体中。

使用能量使物体加速运动时，则以动能的形态保存在物体中。

100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃。

这并不是通过升高水的温度消耗了100J 的能量。

而是在水中作为热能保存了起来。

如上所述，能量无论在何处都一定会以某种形态保存起来。

能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。

这就是最重要“能量守恒定律”。

现在大家已经知道热是一种能量，其单位用J表示了吧！能量会流动，如果表示每秒的能量，单位则为W。

那么让我们回到最初提出的那个问题。

℃是温度单位。

温度是指像能量密度一样的物理量。

它只不过是根据能量的多少表现出来的一种现象。

即使能量相同，如果集中在一个狭窄的空间内，温度就会升高，而大范围分散时，温度就会降低。

PS3等电器产品也完全遵守能量守恒定律。

从电源插头流入的电能会在产品内部转换为热能，然后只会向周围的物体及空气传递。

接通电源后一段时间内，多半转换的热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的能量仅为少数。

之后，装置温度升高一定程度时，输入的能量与排除的能量必定一致。

否则温度便会无止境上升。

很多人会认为，“热设计是指设计一种可避免发热并能使其从世界上消失的机构”。

就像前面指出的那样，说是“发热”，但并非凭空突然产生热能。

说是“冷却”，但也并不是热能完全消失。

如左图所示,热设计是指设计一种“将○○W的能量完全向外部转移的机构”，其结果是可达到“○○℃以下”。

大家首先要有一个正确的认识！下面看一下热传递的方式。

热能传递只有3种方式。

分别为“传导”、“对流”及“热辐射”。

请注意，传导与对流表面文字相似，但绝不相同！传导是指在物体（固体）中传播的热能的传递。

铝和铁的导热性都很出色。

这就是传导。

如果用数值表示导热性，树脂为0.2～0.3，铁为49，铝为228，铜为386。

这些都是指该物质的导热率，单位为“W/（m·℃）”。

越容易导热的物质，该数值越大。

如果用一句话来表述导热率的含义，即“有一种长1m、断面积为1m2的材料，其两端的温度差为1℃时，会流动多少W”。

如果将其单位“W/（m·℃）”写成大家是不是立刻就明白了呢？对流是指热能通过与物体表面接触的流体，从物体表面向外传递的方式。

请大家联想一下吃热拉面时的情景。

用嘴吹一下，拉面就会变凉。

那就是利用热对流使热从拉面表面向吹出的空气传递的结果。

这也可用数值表示。

比如，流体为水，散热面水平放置时，自然对流就为（2.3～5.8）×100，受迫对流就为（1.2～5.8）×1000，水沸腾时就为（1.2～2.3）×10000。

这就是各种情况下的传热系数，单位为“W/（m2·℃）”。

这个单位很容易理解。

由于是“W/（面积·温度差）”，因此它的意思就是“面积为1m2的面与周围流体的温度差为1℃时，会从该面传递多少W热量”。

该传热系数受散热面设置状况的影响较大。

根据流体的种类、流速及流动方向等，数值会发生变化。

因此，计算传热系数的公式会根据不同的情况发生改变。

比如，有一个温度均匀的平板，如果在与其平行的方向受迫流动空气时（受迫对流），可用左图的公式求出传热系数。

从该公式可知以下两点。

①传热系数与流速的平方根（√）成比例→流速提高至2倍，传热系数也只提高至1.4倍②如果冷却面积相同，流动的距离越长，传热系数越低→在冷却面上流动的空气吸热后，会在温度上升的同时继续流动，因此冷却能力会越来越弱。

总之，冷却热的物体时，与使用强风使其冷却的方法相比，横向扩大散热面，使整体通风的方法更有效。

下面介绍一下自然对流的情况。

空气自然对流时的传热系数用下图的公式求解。

这里出现两个新词，分别为“姿势系数”和“代表长度”。

这些是根据面的形状及设置方向定义的。

右图分别显示了垂直和水平设置平板时的情况，其他面形状及设置方向也各有姿势系数及代表长度。

辐射是指经由红外线、光及电磁波等从物体表面传递的方式。

被电炉发出的红色光照射后，会感到温暖。

这就是热辐射。

太阳的热量穿过真空宇宙到达地球，这也属于辐射。

辐射中热量是否易于吸收和放出取决于表面的温度及颜色等。

就颜色大体而言，黑色容易吸放，而白色较难。

如果用数值来表示，其数值范围为0～1。

理论上来讲，全黑物质为1，铝为0.05～0.5，铁为0.6～0.9，黑色树脂为0.8～0.9。

这就是热辐射率（没有单位）。

此处公开的公式是一个近似式，用于计算设置在空气中的物体向周围的空气进行辐射时传递的热量。

物体和空气的温度差并不是很大时，可利用该公式准确计算出结果。

热传递只有前面提到的3种方式。

利用这些公式可计算出“从表面温度为○○℃的方形箱体表面会向空气中释放多少W的热量”。

至此，总结了“热设计的3条基础知识”。

不论是感觉“公式很难”的人，还是“早就知道”的人，只要了解这3条就足够了。

总而言之，其根本是要“遵守原理原则”。

不违背原理原则，一点一点仔细设计非常重要。

就像中学和大学教科书中记载的那样，基础中的基础最为重要。

下面，估计一下实际设备的大小，然后试着计算从该箱体的表面会释放出多少热量。

假设将大小与第一代PS3几乎相同（325mm×275mm×100mm）的方形箱体竖着放置，并且假设该箱体内外不换气。

环境温度按照产品的工作保证温度决定。

在此，工作保证温度最高为35℃，假设再加上5℃作为设计余量。

下面再确定一下设备外装的表面温度吧！该温度由作为产品性能参数的容许温度决定。

在此，假设箱体的表面温度同样为60℃。

并且，将由外装使用的素材及颜色决定的表面辐射率设定为0.8。

此时，在其内部生成的……不对，应该是在箱体内部由电转换为热量的能量，从箱体的表面通过热对流及热辐射的方式向外部转移。

另外，估计设备表面与外部接触的部分只有小橡胶底座，因此不会通过热传导方式传递热量。

并且，暂不考虑散热片设计情况及处理器的温度。

这里仅针对箱体大小、表面情况及外部温度决定的能量进出收支计算。

会是多少W呢？第一代PS3的最大发热量为380W。

试想一下，其中来自外壳表面的散热会是多少？从箱体表面放出的热量为54.8W。

而这是外壳表面温度均为60℃时的数值。

实际上，外壳的表面温度分布不均，只有一部分为温度60℃。

估计大部分无法达到规格温度。

粗略估算一下，整体仅有6成为60℃，只能散热32.9W。

估计现实中会更少。

综上所述，PS3大小的设备从外壳表面最多只能散热30W左右。

可悲的是，这就是现实。

产品的发热量如果为100W，剩余的70W必须采用其他方式强制释放出来。

380W的话，剩下的就是350W。

下一章将介绍为此而采用的换气措施。

热设计基础（二）风扇只需根据能量收支决定与PS3同等大小的箱体所产生的自然散热，最多也只有30W左右，这在确认热相关基础知识的第一篇文章中已经介绍过。

有时必须利用某些手段强制性地排出剩余热能。

此时，电子产品中使用的是专门用来在产品内外进行换气的风扇。

该风扇根据能量的收支计算来决定。

下面将介绍如何选择风扇。

在讲解热传递基础知识的本连载第一篇文章中得知，与第一代“PlayStation 3”（PS3）大小（325mm×275mm×100mm）基本相同的方形箱体表面，“最多只能散热30W左右”。

而事实上，有许多人无法认同这种解释。

他们的观点大致有以下三种。

“好像有辐射特性非常出色的涂料？”“外壳全部采用铝！”“如果采用水冷方式的话，可以进一步减小尺寸？”在进入正题之前，我们先就这些观点进行探讨。

首先是“魔术涂料”。

实际上，的确有一种可以提高表面辐射率的涂料。

那么，我们将在上次计算中为0.8的辐射率，改为理论最高值1.0进行计算。

虽然因辐射而产生的散热量增至1.25倍，但整体上约为38W，只不过比上次的33W增加了5W。

在“发热量较少，而换气的确困难”的状况下，“魔术涂料”可成为强有力的帮手，但也并不是将散热量增至两倍或三倍。

“外壳全部采用铝！多花成本也无所谓！”这样的话对于我这样的机械爱好者真是求之不得……然而，这种想法的出发点应该是“均匀外壳表面的温度，从整个表面进行散热”吧。