技术讲座热设计基础.docx
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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NEAcademy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。
【技术讲座】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“PlayStation3”（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。
这种情况下的答案显而易见。
上章中，考虑到外壳表面的温度分布，粗略地估算为有“六成”分布达到60℃，散热量估计为33W。
假设外壳表面完全没有温度分布，整个表面均为60℃，那么不打“六折”，散热量约为55W
那么，反过来算一下，要想通过外壳表面散热300W，表面温度必须为多少℃。
而且，辐射率为理论上的最高值1.0，同时没有温度分布！
在这种条件下进行计算，得到的结果竟然是115℃。
这种温度岂止是摸上去会不会导致烧伤的问题！
这种游戏机太不安全了，无法销售。
“如果采用水冷方式的话，将可以很好地降温”。
许多人都有这种简单的想法。
确实，自来水是比较凉。
如果从自来水的水龙头开始拉长水管连接到产品上的话，肯定可以很好地降温。
但是，不能这么做吧。
冷却机构基本上由三个要素构成。
①受热部：
承受发热源的热量
②传热部：
将热量从受热部传递到散热部
③散热部：
将热量传递到大气中
水冷是指经由水进行②热传递。
其原理是暂且将发热源的热量传递到水中，然后水（应该是热水）流动到散热部，最后排放到大气中。
水冷后的水只在装置中循环，最终必须通过某些方法将热量排放到大气中。
原则上，①和③的大小即使采用水冷方式也不会发生变化。
另外，如果采用水冷方式，就需要泵和配管，这样一来冷却机构的体积就会变大。
水冷可以在下列几种情况中发挥作用。
汽车的发动机（发热源）和散热器（散热部）就是代表性例子。
?
由于发热部的热密度较大，因此希望提高受热部的热导率
?
发热部和散热部远远地隔开
?
由于总发热量较多、散热部非常大，因此希望将热量扩散到散热部的各个角落
?
发热源较多，希望通过一个散热部统一进行散热
至此，各位读者心中已经有一个大致的答案了吧。
即使运用各种方法，也无法从PS3这种大小的产品表面自然地放出200W或300W的热量。
剩余部分只能吸入空气，然后使热量渗入到空气中，最后将变暖的空气排放到产品外部。
例如，如果整个装置的发热量为100W，则剩余的70W必须通过“换气”排出去。
那么，当流入空气温度为40℃、流出空气温度为60℃时，为了排出70W热量需要多少空气量呢？
根据空气热容量按照下面的公式进行计算后得知，需要毎秒2.7L（毎分0.162m3）的空气。
即便只是想象一下，也是个很大的量啊。
该风量无法通过自然换气排出来，稍后将会详细地进行介绍。
最终结论是需要风扇。
另外，第一代PS3的热处理能力为500W，因此，为了通过换气将减去30W后剩余的470W排出去，需要每分钟1.1m3的换气量。
不过，在实际的产品开发中，很难按照理论值进行。
会使用稍多的流量。
换言之，“能够以尽量接近理论值的较少的空起量进行冷却”将决定冷却设计的优劣。
如何减少未发挥作用而白白通过的空气，将成为显示技术实力的关键。
此处将介绍在本连载中今后会用到的便捷工具。
这就是称为“P-Q图”或“P-Q特性”的图表，纵轴表示静压（P）、横轴表示流量（Q）。
①装置的阻力特性
请想象一下有吸气口和排气口的装置。
空气从吸气口进入后，会在装置内流动，然后从排气口出来。
此时，装置中塞满了部件，因此会阻碍空气流动。
如果在吸气口施加低静压，会有少量空气流动起来，如果施加高静压则会有大量的空气流动起来。
这是当然的。
如果将这种关系用图表来表示，会形成一条向右上方攀升的线。
①表示装置的通风阻力，即“向该装置中施加多少静压后，会有多少空气会流动起来”。
一般称为“系统阻抗”（SystemImpedance）。
②风扇的性能特性
当被问及“该风扇的性能如何”时，如果可以用“10马力”等一个数值来表达就好了，但却不能这么做。
这是因为，即便是同一个风扇，如果安装在阻力较大的箱体上，就只能使少量空气流动起来，如果安装在阻力较小的箱体上，则可以使更多的空气流动起来。
将这种关系用图表来表示的话，会形成一条向右下方下降的线。
②就是表示风扇能力的曲线。
表示“风扇在多大的静压时，会使多少空气流动起来”。
一般称为“风扇的P-Q特性”。
③工作点
那么，在①装置中安装②风扇时，会产生多大的静压、流动多大的流量？
表示该答案的就是①和②的交点——工作点。
在对强制进行空气冷却的产品进行设计，最先决定的是风扇的种类和大小。
风扇的种类和大小先于散热片（散热板）和微细内部构造进行决定，这也许会让部分读者觉得意外。
更准确的说，是已经被决定了。
风扇有多种型号，P-Q特性线的斜率会因种类而发生变化。
这里将介绍三种具有代表性的风扇。
①轴流风扇：
这是一种最普通的像电风扇扇翼一样的风扇。
风从扇翼的旋转轴方向排出。
特点是静压低、风量大。
“PlayStation2”（PS2）中采用了这种型号的风扇。
②离心式风扇：
这是一种利用离心力引起空气流动的风扇。
风从圆周方向排出。
特点是静压稍高、风量稍少。
PS3中采用的风扇就是这种型号。
③横流风扇（CrossflowFan）：
从旋转圆筒的一侧曲面大量吸入空气，然后从另一曲面大量排出。
特点是风量超大、静压超低。
适合换气量非常大、系统阻抗较低的产品。
代表性例子就是空调的室内机。
另外，即便是相同种类的风扇，如果大小和旋转次数不同，风量和静压也会发生变化。
如果都变大的话，P-Q特性线就会偏向右上方。
下面将把各种风扇的特性绘制到P-Q图中。
将各种风扇P-Q特性线的大致中间值作为代表值，两轴采用对数显示方式。
按照横流风扇、轴流风扇和离心式风扇的顺序，静压越来越高。
作为参考，还加入了机械式压缩机的数值。
正如读者想像的那样，压力非常大，但流量非常少。
将正在设计的产品所需风量和所需静压代入该图中，就可以判断出哪种型号的风扇是最佳选择。
那么，笔者将以第一代PS2及第一代PS3为例来介绍风扇的选择方法。
首先，估计所需的换气量。
第一代PS2为了向空气中排出80W，所需的换气量为毎分钟0.24m3。
第一代PS3为了承受470W的热量，需要毎分钟1.1m3的换气量。
然后，估计系统阻抗。
虽然只是“估计”，但实际上并不能通过纸上计算轻松地得出结果。
对类似的机型进行测量，或者试制样机进行实验，这样更快吧。
从结论来看，第一代PS2约为15Pa，第一代PS3约为300Pa。
两者之间的差距起因于空气的流动路径。
PS2采用的是从外壳前面吸气，然后冷却散热片和电源，最后直接从外壳背面进行排气的笔直流路。
而PS3则是从多处吸气，对多处进行冷却，然后冷却电源，在外壳内转换方向从二层降到一层，对散热片进行冷却后排气。
由于流路长而复杂，因此空气阻力较大。
这时就需要可以解决这个问题的高静压风扇。
将需要的换气量和静压代入P-Q图中。
PS2的要求标准是轴流风扇的“好球区”（StrikeZone）。
而离心式风扇恰好符合PS3的要求标准。
然后，查看风扇厂商的产品目录，从符合P-Q特性的风扇中选择大小刚好的产品。
PS2和PS3风扇的扇翼形状是索尼自主开发的，参考各大公司的产品目录后，大致上就可以想象到其大小。
顺便介绍一下，在第一代PS3中，为了获得每分钟1.1m3和300Pa的性能，新开发出了直径为140mm、厚度为30mm的风扇。
并且，PS2和“PSX”中采用了直径为60mm、厚度为15mm的轴流风扇。
至此，本文一直强调，“如果不用风扇，这些风量不会流动起来”。
果真如此吗？
肯定会有人持有这样的疑问，“如果最大限度地利用‘烟囱效应’（ChimneyEffect），不是可以散热几十W左右吗”？
如果温度变高，空气就会膨胀。
也就是说，如果体积相同，热空气会变轻。
较轻的空气被较重的空气推开，然后上升。
这就是自然对流。
如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上下面，可进一步地促进自然对流。
这就是烟囱效应。
那么，如果假设整个产品外壳是烟囱，则可获得多大的流量呢？
假设是一个大小与PS3基本相同的方形箱体，将其上面和下面全都敞开。
然后求出此时因烟囱效应而产生的静压。
40℃的空气密度为1.128kg/m3，60℃的空气密度为1.060kg/m3。
空气密度之差乘以外壳高度后，得知静压为0.022kg/m2（＝0.216Pa）。
我们根据该静压来推算风量。
因为有第一代PS2的系统阻抗测定值，因此可以使用。
当施加通过烟囱效应获得的0.216Pa静压时，流入第一代PS2的风量仅为毎分钟0.015m3。
第一代PS2需要的风量，即便是理论值也高达每分钟0.24m3。
毎分钟0.015m3这个数值完全不够！
即使将整个产品外壳做成烟囱，也无望通过烟囱效应进行换气。
结论还是必须得安装风扇。
如上所述，所需风扇型号和大小全由能量情况决定。
首先应决定风扇，“采用何种内部构造”及“采用什么样的散热片”等是次要的。
姑且进行试制或姑且实现模块化进行模拟，如果未能冷却再安装风扇，这种开发方式无法制成出色的产品，而且会耗费开发时间。
首先动手计算，搞清楚能量收支与风扇的必要性，才是合理的设计捷径。
（特约撰稿人：
凤康宏 索尼计算机娱乐公司设计2部5课课长）
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