超好的散热器设计文章.docx

1、超好的散热器设计文章今天玩家堂给大家带来一篇系列文章热设计基础。文章标题看似很唬人，其实内容非常浅显易懂，图文并茂（当然前提是你要认真读）。本文为索尼计算机娱乐设计公司2部5课，课长凤康宏撰写。虽然作者的意图是为了向大家解说SONY PS3散热设计过程，但是其中大篇幅介绍了热处理基础与各种散热处理方法及其收益，并辅以少量公式计算，同时还向读者展示了散热设计的实例（既包括整体散热设计也包括了部件散热设计）。文中作者力图向大家阐述如何把复杂的问题简单化，并转化为我们所熟知的经验。这其中作者向我们介绍了在散热处理上风扇的选择（哪些参数才是决定性的，如何看参数等等内容）、风道的处理等一系列基础问题，文

2、章中涉及的很多基础性质与定理性质的内容完全可以用到机箱散热、CPU散热，甚至是电源散热上，可以说这一系列文章可以作为DIY玩家的参考资料也不为过。文章目录：第一章 热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律第二章 风扇只需根据能量收支决定第三章 散热片设计的基础是手工计算第四章 根据部件的热性能考虑空气流动和配置第五章 新款PS3的薄型化，要求重新设计冷却机构（上）第六章 新款PS3的薄型化，要求重新设计冷却机构（下）内容简介：其中第一章是通篇的基础，为下面各章节的出发点；第二、第三章则分别介绍了散热处理需要敲定的两个部件；第四章则是如何规划整个散热系统；第五、第六章则是介绍这些原理与散热经验是如何

3、在PS3散热器上得以体现。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。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

4、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

5、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10

6、0g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

7、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

8、”。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0.20.3，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，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

9、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/（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1平方米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

10、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 。比如： 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。比如：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

11、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。被电炉发出的红外线照射后，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01。理论上来讲，全黑物质为1，铝为0.050.5，铁为0.60.9，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

12、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（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

13、，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？

14、 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。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。

15、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“PlayStation 3”（PS3）大小（325mm275mm100mm）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

16、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

17、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。受热部：承受发热源的热量传热部：将热量从受热部传递到散热部散热部：将热量传递到大气中水冷是指经由水进行热传递。其原理是暂且将发热源的热量传递到水中，然后

18、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，和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

19、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1.1

20、m3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气量进行冷却”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）。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

21、系用图表来表示，会形成一条向右上方攀升的线。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” （System Impedance）。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。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”。工作点那么，在

22、装置中安装风扇时，会产生多大的静压、流动多大的流量？表示该答案的就是和的交点工作点。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。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。“PlayStation 2”（PS2）中采用了这种型号的风扇。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

23、量稍少。PS3中采用的风扇就是这种型号。横流风扇（Cross flow Fan）：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。

24、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，

25、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。热设计基础（三）散热片设计的基础是手工计算2011-02-23 21:58 来源：技术在线 字号:小大 我要评论(0) 【打印】在上一章里，确定了用于平衡整个装置能量收支的风扇种类。本文将以此为前提来设计散热片。从求出热传导率及散热量的公式来考虑即可得知，散热片（Heat Sink）的大概性能可通过简单的手工计算来求得。下面将结合首款PS3的实例，证实手工计算得出的结果与实

26、际装置上采用的散热片的惊人一致之处。在热设计基础（二）风扇只需根据能量收支决定一文中曾提到整个装置中的热能收支是相互吻合的。下面，开始介绍散热片的设计。想让滚烫的拉面凉下来时，大家会怎么做？一般会呼呼地吹气，对吧？这是利用了【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 中介绍的“热传导”原理的冷却方法。这个时候，怎样做才能让拉面有效地冷却下来呢？热传导实现的散热量公式如下：通过热传导实现的散热量W热传导率W/（m2）散热面积m2与周围的温度差由于温度差，也即拉面温度与吹出的气息温度之差是确定的，无法改变。然而，如果增加散热面积，就能增加散热量。如果将用筷子夹起的面条摊开，

27、借此加大散热面积，并让所有面条都均匀地接触到空气，便可有效地使面条冷却下来。散热片（Heat Sink。字面意思是“热量分流槽”）利用了与此完全相同的思路。使发热源的热量扩散到面积较大的翼片（叶片）上，然后通过热传导将热量转移给空气，这就是散热片的功能。让我们来复习一下计算散热量时一定会用到的热传导率。热传导率会随着散热面的放置方式而发生变化。强制性地使空气沿着与散热板平行的方向流过时，热传导率的计算式如下。也就是说，与散热量相关的变量有以下4个。散热面积：越大越有利于散热。如果散热面积增加1倍，则散热量也增加1倍。我想大家经常会看到由多枚很薄的翼片重叠而成的散热片，其目的就是为了在狭小的空间

28、获得较大的散热面积。温度差：温度差越大，则散热能力越高。如果温度差增加1倍，则散热量也增加1倍。散热片之所以采用铝及铜材料，就是为了在尽量不降低温度的情况下，把发热源的热量传导到翼片上。流速：流速提高，则热传导率也提高。不过，即使流速增加1倍，热传导率只增加0.4倍，也就是说，散热量只会增加0.4倍。气流方向的长度：该长度越短，则热传导率越高。这是因为，在气流方向的下游空气温度会上升，而冷却能力则会下降。在相同面积的翼片上，如果在气流方向上以长度较短、而横向较宽的方式配置散热片，则散热量增大。下面，让我们来计算一下散热片的散热能力。如右图所示，在80的散热板上，让40的空气平行流过的强制空冷散

29、热片时的实例。从散热面散发出的热量达到了2.44W。因为每枚翼片都有正反两面，所以，应该有2倍的4.88W热量从翼片散发出来。让我们将这种翼片放到作为发热源的芯片上试试看。假定芯片的表面温度为80。在此，我们暂且忽略从芯片表面到翼片根部的热接触阻抗等，假设翼片根部的温度也是80。前面是在假设翼片温度均匀分布的情况下进行的计算，但实际上不可能整个翼片都是相同的温度。也许接近芯片的部分是80，但翼片上方的温度会略微下降。因此，散热量会小于上述的4.88W。例如，会减小到70或者85。随着翼片内部温度分布的不同，散热量会降低到翼片整体为均一温度时的百分之几，我们将这个百分数称为“翼片效率”。翼片效率

30、可通过翼片的热传导率及尺寸进行计算。在刚才的例子中，假设翼片的热传导率为170W/（m）、厚度为1mm，我们将其带入到公式中算一下。得出翼片效率为81。就是说，每枚这种翼片的散热量为3.97W。假如想散发100W的热量，那么就需要26枚翼片。大家可以利用表计算软件等，试着改换多种变量来计算一下。这样就能切实感受到采用什么样的翼片时会散发多少热量。下面，让我们用以上介绍的计算方法来设计第一代“Play-Station 3”（PS3）的散热片。不过，在此之前必须有设计思想。设计是一门艺术，解不会是只有一个。基于什么样的想法、设计成什么形状，这些都必需在设计之初确定下来。否则的话，要么会中途迷失方向

31、，误入歧途，从而求不出答案；要么最终得到一个修修补补、东拼西凑出来的设计。笔者在确定设计思想时，只想一个问题：“什么样的设计才是最理想的？”。我觉得，重要的是抛弃根据晦涩难懂的专业知识及经验得出的成见，单刀直入地考虑问题。首先，我们来考虑“理想的散热片”。理想的散热片究竟应该是什么形状的？为了提高热传导率，在气流方向上长度要短，在气流的横向上要宽，这是最理想的。这样才能使热量扩散到产生气流的整个区域。这与上一章介绍的“消除那些不做功而白白流过的空气”这一目的相吻合。在上一章，我们决定在首款PS3上采用离心式风扇。让我们按照这一理想，思考一下离心式风扇中的理想散热片形状。离心式风扇呈放射状地向所有方向进行排气。如果在这一气流发生的整个区域薄薄地配置上散热片的话。那就会形成像面包圈一样的形状。“对离心式风扇而言的理想散热片形状，是面包圈形”。笔者将此作为基本的设计思想，设计出了PS3的散热片。接下来，让我们来确定散热片设计的前提条件吧。首先是流速。根据装置整体热收支的计算，风扇的性能指标被确定下来。根据该数值可以计算出空气刚从风扇吹出时的流速为1.4m/s。然后