技术讲座

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。

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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。

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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℃。

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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。

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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”。

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 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

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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!

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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

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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”。

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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。

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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。

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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。

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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?

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 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。(特约撰稿人:凤 康宏,索尼计算机娱乐设计公司2部5课课长)

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