设备散热器风扇的选型和设计计算.docx

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设备散热器风扇的选型和设计计算

散热、吸热，还是绝热重要？

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　在这儿之前,有一个很重要的问题要问各位,您知道什么是"热"吗?

在您选择一项产品之前.您得先知道您用钞票换得手中的宝贝要解决的是什么物理现象,千万别当了冤大头!

"热（Heat）"是能量吗?

　　严格来说它不算是能量,应该说是一种传递能量的形式.就好象作功一样.微观来看,就是区域分子受到外界能量冲击后,由能量高的分子传递至能量低的区域分子（就像是一种扩散效应）,必须将能量转嫁释放出来.所以能量的传递,就是热.而大自然界最根本的热产生方式,就是剧烈的摩擦（所谓摩擦生热如是说!

）.从电子（量子力学）学的角度而言,当电子束滑过电子信道时,会因为与导线（trace）剧烈摩擦而产生热,它形成一股阻力,阻止电子流到达另一端（就像汽车煞车的效果是一样的）.我们统称作"废热".所以当CPU的速度越高,表示它的I/O（Input/Output）数越高,线路布局越复杂.就好比一块同样面积的土地上.您不断的增加道路面积;不断的膨胀车流量,下场是道路越来越窄,而车子越来越多,不踩煞车,能不出车祸吗?

当然热量越来越高.信不信,冷飕飕的冬天,关在房里打计算机,你会爱死它,又有得杀时间,又暖和!

只是不巧,炎炎夏日又悄悄的接近了……

　　"传热（HeatTransfer）":

既然说热是一种传递能量的形式.那就不能不谈传递的方法了.总的来说整个大自然界能量传递的方式被我们聪明的老祖先（请记住.热力学ThermalDynamic是古典力学的一种!

）概分为三种,接下来我用最浅显易懂的方式分别介绍这门神功的三大基本奥义让各位知道:

1.）热传导（Conduction）

　　物质本身或当物质与物质接触时,能量传递的最基本形式（这里所说的物质包括气体,液体,与固体）.当然气体与液体（我们统称为流体）本身因为结构不似固体紧密.我们又有另外一个专有名词来形容它,叫做热扩散（Diffusion）.若诸位看官真有兴趣的话,不妨把下面的公式熟记,对以后您专业素养的养成,抑或是将来更深入的技术,探讨彼此的沟通都非常有帮助（这可是入门的第一招式,千万别放弃您当专业消费者的权益了!

）.另外,为了避免您一开始走火入魔,请容我先将所有的单位（Unit）都拿掉.

Q=K*A*ΔT/ΔL

其中Q为热量;就是热传导所能带走的热量.

K为材料的热传导系数值（Conductivity）;请记住,它代表材料的热传导特性,就像是出生证明一样.若是纯铜,就是396.4;若是纯铝,就是240;而我们都是人,所以我们的皮肤是0.38,记住!

数值越高,代表传热越好.（详细的材料表我将于日后择篇幅再补述!

）

A代表传热的面积（或是两物体的接触面积.）

ΔT代表两端的温度差;ΔL则是两端的距离.

让我们来看一下图标,更加深您的印象!

热传导后温度分布

铜材的导热系数高,经过热传导后,温度在铜材中分布就非常均匀,相反的,木材的导热系数偏低,于是相同的传导距离,木材的温度分布就明显的不均匀（温度颜色衰减的非常快;表示热量传导性不良.）

　　从上述的第一招式我们可以知道.热传导的热传量.跟传导系数,接触面积成正比关系（越大,则传热越好!

）而跟厚度（距离）成反比.好,有了这个观念,现在让我们把焦点转到散热片身上,当散热片与热源接触,我们需要的是"吸热",能够大量的把热吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散热片的底部会加一块铜板不是吗?

或甚至干脆用铜当散热片底板.就是因为它的热导系数比铝多出将进一倍（当然还有其它技术原因,容我先卖个关子）.

　　嘿,嘿,聪明的读者,您一定也发现了一个问题,散热片的底部厚度好象越来越厚耶!

如果照我说的话,那不是传热效果越差了吗?

如果您会问这个问题?

先恭喜您!

您已经有本事报名英雄大会了.这牵涉到另外一门有趣的课题.因篇幅关系,这一次我并不打算放进来.请诸位海涵!

2.）热对流（Convection）

　　流动的流体（气体或液体）与固体表面接触,造成流体从固体表面将热带走的热传递方式.这一招是三招里面最为博大精深的一招,老祖先依其流体驱动的方式将之转换折成貌和神离的两招,分别是

A.）自然对流（NaturalConvection）:

　　流体运动是来自于温度差.温度高的流体密度较低,较轻会向上运动.相反的,温度低的流体则向下运动.所以是流体受热之后产生驱动力.（这里各位要牢记一件事,只要温差,沿着重力场方向的流体就会开始运动,带走热量!

）

B.）强制对流（ForceConvection）:

　　顾名思义,流体受外在的强制驱动力如风扇驱动而产生运动.驱动力往那儿吹,流体就往那儿跑,与重力场无关.不是很了解对吧!

百闻不如一见,脱掉你宝贝计算机的灰白色夹克.您应该会看到如下图所示的精采内脏.

　　如此清楚了吗?

芯片组散热片不加风扇,利用的是自然对流将热量带走,表示热量不高（一般来说介于3瓦~8瓦）.至于CPU则因为热量较高（尤其是桌上型计算机,至少都在30瓦以上）,自然对流的散热量不足以带走废热,因此得利用到风扇驱动.至于更详细的各种芯片封装（package）制程,规格资料与散热量的关系（别忘了CPU也是一种封装,只是档次较高!

）,还有自然对流及强制对流在散热片设计上的考量差异性,我会在往后的篇幅中以专题的方式撰写.让各位不但对电子散热有所了解,更知道整条电子链的运作模式.

　　看看它的公式吧!

为什么说它最博大精深是有原因的.到了这儿,请千万小心,步步都是富贵险中求.殊不知多少江湖英豪;名门侠女都曾栽在这块看似山青湖静,实则风阴涛涌的领域（包括笔者都曾差点儿翻不了身）.一则是从此开始.您才真正进入"散热"的大堂.一则是这里又多了一门至深至幻的学问叫做流体力学（FluidDynamic）.我想试问各位一生中有多少次机会看到风扇是怎么吸空气;又是怎么把空气吹出来的?

我们换个角度想,要让流体产生运动,一个必要的因素是什么?

知其然,更要知其所以然,道行高的您或许已开始发出会心的一笑,还不了解的看官也别担心,这运功炼气可是半点儿急不得.渐纳慢吐,气通任督灌丹田,才是习知之道.

Q=H*A*ΔT

Q为热对流所带走的热量.

H为热对流系数值（HestTransferCoefficient）.

　　这里是笔者及数字高人讨论过后,一致公认散热领域内最虚无飘渺的一个参数了.它既不是材质特性,更不是什么散热标准.说穿了还真有点儿好笑.这是老祖先想破了头还是一无所知的情况下,直接写下的脚注.不信吗?

敢问诸位高手,只听过H是随着流体状态;流场形式;固体表面形状的影响而改变的"常数"值（例如:

垂直方向的平板流H=10~20,最多是个H与速度的几次方成正比关系）,从没看过哪一个方程式是可以解出H值的.（道道地地,不折不扣的"经验值"!

!

）

A代表热对流发生时的"有效"接触面积.这里我要再一次强调.表面积大只是好看,有效表面积也大那才够实在.至于什么是"有效",将来我会举一些活生生的实例给各位看,到时候可别合不拢嘴.散热片的变化无穷,主要在于它的鳍片设计,一个设计良好的鳍片.会内外兼顾,不但跟空气的接触表面积大,而且大的很实在.否则花那种冤望钱,不如自己做一块铜块盖上去不就好了吗?

当然金属量产的加工制程上有一定的限制,不同的制造工艺各有其优缺点,有时设计者不得不作一些妥协与让步.

ΔT代表固体表面与区域流体（LocalAmbient）的温度差.这里就更惊险了.散热片的设计,一个不小心就会跌入这个要命的陷阱里,它跟上面的所谓"有效"接触面积还真有那么一点关系,我留一点儿空间先不说穿,让各位也想一想.

　　为什么我说到了这儿才算真正开始处理散热问题.因为不论自然对流或强制对流,靠流体把热带走是现下最经济实惠的方式.殊不知地球大气运行时的妙用无穷,我们换一个角度想,能量守恒定律,或许您也能参详一二.周围尽是用不完的空气,不拿它来出出气,怎么说也是暴敛天物,您说是吗?

　　下一次我们再谈另一个能量传递的方式（它也是"散热"的一员,只是平时韬光养晦,深藏不露,但发起威来,套句广告词~"凡人无法档"）.而且角色变化多端,非常有个性,也是笔者最喜欢的一个,请容我在此先搁笔.咱们下次再谈!

散热,吸热,还是绝热重要?

接下来介绍的,可又是散热的一名角儿.只是它的名气没"热对流"来的大,一般说来在主动式散热片（ActiveCooler）的散热比例上占的份量也有限,所以大伙儿常忽略它.可是它在实际生活中扮演的角色可丰富了.您加热时绝对有它,散热时它也有份,当要绝热时,更不能没有它,更夸张的是,少了它,地球的生态环境瞬间就会失衡,看下去吧,向您郑重介绍……

3.）热辐射（Radiation）

　　若说上一招"热对流"是谓博大精深,那这一招可就真算得上是"清风拂山岗;明月照大江"的太极绝学了.待我解释完,您就知道我开头所述句句真言,绝无诳语.别看它又清风,又明月的.真发起来,那可是招招重手,决不留情.（您以为炎炎夏日太阳的热情是靠热传导或热对流招呼到您身上的吗?

再举个更生活的例子,没用过也看过灯管式电暖气吧?

再告诉您一个小秘密,笔者求学时就曾经利用180瓦的工地用卤素大灯两个煮三人份的火锅,不盖你,这些都得拜热辐射所赐!

）这说完它加热的好处,我留一点篇幅稍后再解释它与散热,绝热的关系.让我们先把焦点转回它的原理上.

　　有人曾问笔者,热辐射是不是放射性的a,b,g辐射波,您说呢?

那可是对任何生物都会造成伤害性的辐射线耶!

不要怀疑,虽不中亦不远矣,它们还真有血源关系呢,这一部份因为是笔者最喜欢的一种散热方式,也是当今能参透这门绝学的人少之又少（包括笔者也不是）,是以笔者不得不一吐为快,交代清楚,以免让各位越看越模糊,热辐射是一种可以在没有任何介质（空气）的情况下,不需要靠接触,就能够达成热交换的传递方式.一种我戏称为"热数字讯号"（ThermalDigitalSignal）的波的形式达成热交换.既然是波,那就会有波长,有频率,而所谓波的能量,就是频率乘上一个叫做普郎特的常数（Planck'sConstant）,既然跟频率有关,那好,频率的大小依次是Gamma射线,X射线,紫外线,可见光,红外线,微波…而热辐射能量就介于紫外线与红外线之间,所以还算排行老三呢,但光是如此就让你在7月中午的太阳下站不住五分钟了吧!

其实您还得感谢地球上有大气层,空气和水分子,这些介质帮我们吸收掉了不少能量呢!

　　好,咱们再回到主题,既然不需要介质,那就得靠物体与物体表面的热吸收性与放射性来决定热交换量的多寡.我们统称为物体表面的热辐射系数（Emissivity）,其值介于0~1之间,是属于物体的表面特性,有一点儿像热传导系数（Conductivity）都属于材料特性.（其实吸收性（率）与放射性（率）是一样的,我稍后解释.严格来说,物体表面的热辐射特性有三种,分别是吸收率,反射率和穿透率.这三者加起来的值和为1,像是玻璃,它的能量穿透性很强,所以相对的吸收性与反射性便较弱）.让我们看一下它的公式吧

Q=e˙s˙F˙Δ（T4）

Q为物体表面热幅热的热交换量.我在这儿强调是热交换量而不是带走的热量.因为公式本身牵涉到两个表面在进行辐射热交换,当假设其中一个表面不存在时,则存在的表面便假设是与某一有限远的固定大气温度进行热交换.

e物体表面的热辐射系数（Emissivity）,其值介于0~1之间,是属于物体的表面材料特性,这一部分当物质为金属且表面拋光如镜时,热辐射系数只有约0.02~0.05而已,而当金属表面一但作处理后（如表面阳极处理成各种颜色亦或喷漆,则热辐射系数值立刻提升至0.5以上,如下图所示当散热片表面处理成绿色后,热辐射系数值立刻由0.03提升至0.82.　

处理前　　　　处理后

而塑料或非金属类的