技术讲座--热设计基础

【技术讲座】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。