作者：鳳康宏

在開發(fā)使用電能的電子設(shè)備時，免不了與熱打交道。“試制某產(chǎn)品后，卻發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱超乎預(yù)料，而且利用各種冷卻方法都無法冷卻”，估計很多讀者都會有這樣的經(jīng)歷。如果參與產(chǎn)品開發(fā)的人員在熱設(shè)計方面能夠有共識，便可避免這一問題。下面舉例介紹一下非專業(yè)人士應(yīng)該知道的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識。

在大家的印象里，什么是“熱設(shè)計”呢？是否認(rèn)為像下圖一樣，是“一個接著一個采取對策”的工作呢？其實，那并不能稱為是“熱設(shè)計”，而僅僅是“熱對策”，實際上是為在因熱產(chǎn)生問題之后，為解決問題而采取的措施。

如果能夠依靠這些對策解決問題，那也罷了。但是，如果在產(chǎn)品設(shè)計的階段，其思路存在不合理的地方，無論如何都無法冷卻，那么，很可能會出現(xiàn)不得不重新進(jìn)行設(shè)計的最糟糕的局面。

而這種局面，如果能在最初簡單地估算一下，便可避免發(fā)生。這就是“熱設(shè)計”。正如“設(shè)計”本身的含義，是根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)來構(gòu)想應(yīng)采用何種構(gòu)造，然后制定方案。也可稱之為估計“大致熱量”的作業(yè)。雖說如此，但這其實并非什么高深的話題。如果讀一下這篇連載，學(xué)習(xí)幾個“基礎(chǔ)知識”，制作簡單的數(shù)據(jù)表格，便可制作出能適用于各種情況的計算書，甚至無需專業(yè)的理科知識。

第1章從“什么是熱”這一話題開始介紹。大家可能會想“那接下來呢”？不過現(xiàn)在想問大家一個問題。熱的單位是什么？ 如果你的回答是“℃”，那么希望你能讀一下本文。

熱是能量的形態(tài)之一。與動能、電能及位能等一樣，也存在熱能。熱能的單位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物體移動1m，使1g的水溫度升高0.24℃。

設(shè)備會持續(xù)發(fā)熱。像這樣，熱量連續(xù)不斷流動時，估計用“每秒的熱能量”來表示會更容易理解。單位為“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。

不只是熱量，所有能量都不會突然生成，也不會突然消失。它們不是傳遞到其他物質(zhì)就是轉(zhuǎn)換為其他形態(tài)的能量。

比如，100J的能量可在100N力的作用下將物體移動1m。使該“物體移動”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物體時，能量會以位能的形態(tài)保存在物體中。使用能量使物體加速運動時，則以動能的形態(tài)保存在物體中。

100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24℃。這并不是通過升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來。

如上所述，能量無論在何處都一定會以某種形態(tài)保存起來。能量既不會憑空消失，也絕不會憑空產(chǎn)生。這就是最重要“能量守恒定律”。

現(xiàn)在大家已經(jīng)知道熱是一種能量，其單位用J表示了吧！能量會流動，如果表示每秒的能量，單位則為W。

那么讓我們回到最初提出的那個問題。℃是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過是根據(jù)能量的多少表現(xiàn)出來的一種現(xiàn)象。即使能量相同，如果集中在一個狹窄的空間內(nèi)，溫度就會升高，而大范圍分散時，溫度就會降低。

PS3等電器產(chǎn)品也完全遵守能量守恒定律。從電源插頭流入的電能會在產(chǎn)品內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能，然后只會向周圍的物體及空氣傳遞。

接通電源后一段時間內(nèi)，多半轉(zhuǎn)換的熱能會被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量僅為少數(shù)。之后，裝置溫度升高一定程度時，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會無止境上升。

很多人會認(rèn)為，“熱設(shè)計是指設(shè)計一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機(jī)構(gòu)”。

就像前面指出的那樣，說是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產(chǎn)生熱能。說是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。

如圖所示,熱設(shè)計是指設(shè)計一種“將○○W的能量完全向外部轉(zhuǎn)移的機(jī)構(gòu)”，其結(jié)果是可達(dá)到“○○℃以下”。大家首先要有一個正確的認(rèn)識！

下面看一下熱傳遞的方式。

熱能傳遞只有3種方式。分別為“傳導(dǎo)”、“對流”及“熱輻射”。請注意，傳導(dǎo)與對流表面文字相似，但絕不相同！

傳導(dǎo)是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。鋁和鐵的導(dǎo)熱性都很出色。這就是傳導(dǎo)。

如果用數(shù)值表示導(dǎo)熱性，樹脂為0.2～0.3，鐵為49，鋁為228，銅為386。這些都是指該物質(zhì)的導(dǎo)熱率，單位為“W/（m·℃）”。越容易導(dǎo)熱的物質(zhì)，該數(shù)值越大。

如果用一句話來表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1℃時，會流動多少W”。如果將其單位“W/（m·℃）”寫成

大家是不是立刻就明白了呢？

對流是指熱能通過與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請大家聯(lián)想一下吃熱拉面時的情景。用嘴吹一下，拉面就會變涼。那就是利用熱對流使熱從拉面表面向吹出的空氣傳遞的結(jié)果。

這也可用數(shù)值表示。比如，流體為水，散熱面水平放置時，自然對流就為（2.3～5.8）×100，受迫對流就為（1.2～5.8）×1000，水沸騰時就為（1.2～2.3）×10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2·℃）”。

這個單位很容易理解。由于是“W/（面積·溫度差）”，因此它的意思就是“面積為1平方米的面與周圍流體的溫度差為1℃時，會從該面?zhèn)鬟f多少W熱量”

該傳熱系數(shù)受散熱面設(shè)置狀況的影響較大。根據(jù)流體的種類、流速及流動方向等，數(shù)值會發(fā)生變化。因此，計算傳熱系數(shù)的公式會根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。

比如，有一個溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動空氣時（受迫對流），可用左圖的公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點。

1、傳熱系數(shù)與流速的平方根成比例。比如：流速提高至2倍，傳熱系數(shù)也只提高至1.4倍。

2、如果冷卻面積相同，流動的距離越長，傳熱系數(shù)越低。比如：在冷卻面上流動的空氣吸熱后，會在溫度上升的同時繼續(xù)流動，因此冷卻能力會越來越弱。總之，冷卻熱的物體時，與使用強風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴(kuò)大散熱面，使整體通風(fēng)的方法更有效。

下面介紹一下自然對流的情況。空氣自然對流時的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。

這里出現(xiàn)兩個新詞，分別為“姿勢系數(shù)”和“代表長度”。這些是根據(jù)面的形狀及設(shè)置方向定義的。右圖分別顯示了垂直和水平設(shè)置平板時的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢系數(shù)及代表長度。

輻射是指經(jīng)由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式。被電爐發(fā)出的紅外線照射后，會感到溫暖。這就是熱輻射。太陽的熱量穿過真空宇宙到達(dá)地球，這也屬于輻射。

輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸放，而白色較難。

如果用數(shù)值來表示，其數(shù)值范圍為0～1。理論上來講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.05～0.5，鐵為0.6～0.9，黑色樹脂為0.8～0.9。這就是熱輻射率（沒有單位）。

此處公開的公式是一個近似式，用于計算設(shè)置在空氣中的物體向周圍的空氣進(jìn)行輻射時傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時，可利用該公式準(zhǔn)確計算出結(jié)果。

熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計算出“從表面溫度為○○℃的方形箱體表面會向空氣中釋放多少W的熱量”。

至此，總結(jié)了“熱設(shè)計的3條基礎(chǔ)知識”。不論是感覺“公式很難”的人，還是“早就知道”的人，只要了解這3條就足夠了。總而言之，其根本是要“遵守原理原則”。不違背原理原則，一點一點仔細(xì)設(shè)計非常重要。就像中學(xué)和大學(xué)教科書中記載的那樣，基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)最為重要。

（未完待續(xù)）

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2.本文意圖是為了向大家解說SONYPS3散熱設(shè)計過程，但其中大篇幅介紹了熱處理基礎(chǔ)與各種散熱處理方法及其收益，并輔以少量公式計算，同時還向讀者展示了散熱設(shè)計的實例（既包括整體散熱設(shè)計也包括了部件散熱設(shè)計）。比較適合熱設(shè)計初學(xué)者學(xué)習(xí)。

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