超好的散热器设计文章

超好的散热器设计文章超好的散热器设计文章 1 1 今天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 当然前提是你要认真读 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 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 文章目录 第 1 章 热即是 能量 一切遵循能量守恒定律 第 2 章 第二章 风扇只需根据能量收支决定 第 3 章 第三章 散热片设计的基础是手工计算 第 4 章 第四章 根据部件的热性能考虑空气流动和配置 第 5 章 第五章 新款 PS3 的薄型化 要求重新设计冷却机构 上 第 6 章 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 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金旗舰钢制散热器 70 50 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 试制某产品后 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 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 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 业人士应该知道的热设计基础知识 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 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 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 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 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