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1、【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
2、 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。 （点击放大）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。 （点击放大）如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢
3、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
4、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 。 （点击放大）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。 （点击放大）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
5、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”。 （点击放大）（点击放大）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
6、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。 （点击放大）（点击放大）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
7、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！ （点击放大）（点击放大）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 0.20.3 ，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
8、，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（2.35.8）100 ，受迫对流就为（1.25.8）1000，水沸腾时就为（1.22.3 ）10000 。这就是各种情况下的传热系数，单位为“W/（m 2）”。 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
9、周围流体的温度差为 1时，会从该面传递多少 W 热量”。 （点击放大）（点击放大）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。 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 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
10、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。 （点击放大）（点击放大）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，
11、其数值范围为 01 。理论上来讲，全黑物质为 1，铝为 0.050.5，铁为0.6 0.9，黑色树脂为 0.80.9。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
12、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。 （点击放大）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（325mm275mm100mm）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
13、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。 （点击放大）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？ （点击放大）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）
