散热器的设计与选择.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流散热器的设计与选择.精品文档.散热器的设计与选择 发布时间：2011-3-24 10:39:57字体：【大】【中】【小】浏览次数：138 次高效能的散热=热传系数X散热面积X温度差 热传系数：材料性质，几何形状，流场状况(层流，紊流)散热面积：制造加工方式，几何形状温度差：几何形状，流场状况散热材质的选用：散热片设计重点：总体散热表面积(P/h*(Ti-Tj),基本>60平方厘米/W)材料(铝挤AL6063，压铸ADC12,finAA1050)底板厚度(一般需>4mm， T=7xlogW-6 (min 2mm) )鳍片形状鳍片厚度(铝挤0.52mm,压铸14mm,fin0.20.5mm)鳍片间距(38mm)鳍片长度(铝挤<100mm,理论上散热鳍片的厚度t和长度h之比不能超过1：18)鳍片/底板之结合材料(焊接，铆合) 结构的设计(易于空气上下自然对流的散热结构)结构的设计(一体化降低灯具系统热阻)尽量将散热有关的结构件(散热器与外壳等金属部件)设计成一体化，有利于减小系统热阻。 例：在散热器上直接开焊盘，这样可以降低灯具的系统热阻。同时也可省去铝基板及铝基板与散热器之间使用的导热硅胶，从而降低系统热阻。其他利于散热的小设计：1.热源与散热器的大接触面设计;2.灌胶，作用：散热绝缘固定;3.空隙部位导热膏的灵活运用;6.参考某些比较成熟的高功率产品散热设计技巧，例如CPU的散热器设计，减小PCB与散热器的接触面粗糙度;7.散热设计的同时需兼顾结构。当前LED主要散热技术其他新型散热技术 发布时间：2011-3-24 10:48:31字体：【大】【中】【小】浏览次数：145 次1、 SynJet替代风扇 应用到LED照明散热上面，SynJet的大致原理是一个类似振动膜的元件以一定频率振动压缩腔内的空气，空气受压缩后从细小的喷嘴高速喷出，形成空气弹喷向散热片，同时空气弹带动散热片周围的空气流动带走热量。据介绍，该技术原先用于芯片的散热，LED照明兴起之后，被用于替代硕大的风扇。相对于风扇来说，SynJet散热模组有以下几个特点： 功耗比风扇低：SynJet散热模组主要的耗能部分是一个驱动模块，振动膜，相对风扇的电机部分功耗要低。据介绍，以10W MR16为例，长时间点亮后，LED焊接处温度约为50;15W Par20，约为55-60。体积小、质量轻：由于SynJet散热模组的特殊结构，所以可以做到比较小的体积，可以用在一些无法安装风扇的筒灯中。小尺寸，良好的散热可以使小尺寸的LED灯具实现较大功率和亮度。低噪音：风扇的电机在转动是不可避免的产生噪音，如果是用在室内照明，夜深人静时这样的噪音会比较明显。SynJet散热模组的振动膜在人耳不敏感的频率下振动，噪音很小，甚至感觉不到噪音。据介绍，SynJet散热模组有三组频率可调。寿命长：SynJet散热模组结构简单，寿命可达10万小时，而风扇通常只有5000小时，对于长寿命著称的LED灯来讲，5000显然有点拖后腿。在应用SynJet散热模组时，有一点要特别注意的就是整个灯杯要有开口，保障内部空气可与外界交换，否则SynJet的散热效果会打折扣。2、 均热板技术热能有个规律，它会往热阻值低的地方传递。如果热量无法通过散热介质传导出去，它就会传递到PCB上，长时间运行会导致PCB过热变形、损坏。因此，满载做功时单位面积内的巨大热能是一个显卡最难克服的散热问题。下面是目前几种传统散热方式在热传密度上的横向比较：一个50cm2， 6mm厚的真空均温板Heat Flux热传密度可达115W/cm2，是铜热管的10倍以上，Vapor Chamber真空腔均热板比纯铜基板具有更好的热扩散性能，特别适合于大功率的CPU、GPU的使用。如图所示，为真空腔均热板散热过程示意图，芯片产生热能通过大面积均热板迅速吸收和传导，使封装的介质开始由液体转化为气体，通过蒸发区将热能带出。气态介质膨胀至整个真空腔，将带出的热能迅速传导到整个封装的铜内腔体中并传导到铝鳍片上。铝鳍片的热能经过风扇强制对流冷却后， 使工质失去热能冷却，变化为液态通过内腔管壁毛细作用，然后回流到底部蒸发区，又吸收到新的热能，并再度气化将热带出， 形成一个循环。 总结起来，真空均热板优势有：一.均热板的阻抗为业界中最低之一 ，将300W应用于25mmx25mm时的测量值为0.05C/W二.尺寸外型非常灵活,均热板面积可达200 mm x 200 mm三.克服了方向性限制,全面提升了电子组件/系统的效能3、 自激式振荡流热管/环路热管它们作为传统热管技术的延伸，也是依靠液体相变实现换热的，传热能力较烧结热管提高20-30%，具有传热效率高、结构简单、成本低、适应性好、热输运距离远等特点，是解决大功率LED灯散热问题最为有效的解决方案。4、 离子风散热技术 Tessera把这套系统命名为EHD(ElectroHydroDynamic电子液动力)散热，其概念实际上相当简单，基于正负电子中和的原理，由一对电极的一端产生正电离子，飞向另一端的负电离子，便能带动空气形成稳定气流，即“离子风”带走热量，在完全没有活动部件的情况下实现了静音散热。离子风的散热技术，与现在的散热技术相比，这种新的散热技术可以提升250%的散热效率。采用这种技术的离子风引擎两端各有一个高电压电极，电极之间的电压差高达数千伏，在这种情况下，空气中的气体分子实现离子化就产生了离子风， 这种离子风可以高效的带走芯片所产生的热量。这种离子风引擎可以安装在需要散热的芯片上，这样无需风扇就可以起到强大的散热作用，并且其散热效率远高于目前的散热产品。 如果普通散热器可以将温度降到 60°C的话，这种离子风散热引擎可以将温度降至 35°C 。在热管的帮助下，离子风引擎散热效果与现在的散热技术相比可以提升250%。目前相关技术人员正在努力使离子风技术支持低电压运行环境。5、 PDC 热处理材料PDC(polycrystalline diamond composite)即聚晶金刚石复合片,是聚晶金刚石(polycrystallin diamond,PCD)和硬质合金底层形成的一种复合材料.它既有PCD的高硬度又有一定的韧性和抗冲击性能,是一种重要的超硬刀具材料。PDC的产品属被动式非金属散热材料Passive Dimensional Dissipation material (简称PDD)，并将导热及散热的功能结合，成为最佳热处理解决方案。 有Coating PDC材料的散热片，其散热效果与Coating ITRI(奈米碳球)的散热性能相当。6、 纳米碳球应用于辐射散热技术受限于节能与产品轻薄短小之需求，非主动散热日益受重视，应用辐射红外线的涂料散热方式是目前相当热门的研究领域，特别是应用于高功率LED 与太阳电池等产品，其散热好坏会直接反应在产品效能上，并且为了节能减碳的诉求，这类产品通常不会加装风扇散热。一般导热材必须有高的Loading ，藉由填充粒子间的界面接触传导热，因此界面阻抗成为主要的热能传递障碍。碳簇材料(黑体)辐射冷却效果佳。在相同温度(90°C)下，以红外线摄相仪观测，有涂装的很火红(辐射发射率达98%)，并且明显降温速度较快，显示涂层具辐射冷却效果。将此应用于单颗5WLED 台灯制品， LED 温度可由75.1°C降至50.8°C，亮度增加30% 且寿命可大幅提升(图六)。辐射散热的效果常随散热鳍片之设计而略有不同，一般来说，涂装纳米碳球之鳍片可较相同形状未涂装样品降温达6°C以上。因应节能与非主动散热需求，产品可藉简易的涂布技术应用于铝鳍片散热、LED 照明、车灯、工业计算机、太阳能电池散热、随身装置、游戏机等应用产品。相关产品市场产值大，目前成果已商品化应用于LED 台灯产品。一次导热材料及二次散热材料介绍与应用 发布时间：2011-3-24 10:28:52字体：【大】【中】【小】浏览次数：52 次一次导热材料介绍与应用材料名称优点缺点FR4板 1. 成本低廉,制作容易；2.无需考虑绝缘层特性1.不适用散热片带电极之LED设计2.需将穿孔填锡,增加制程工序3.需加厚铜箔层以增加热传导效率铝基板1. 一般接受度高2.硬度较FR4高,与二次端热传导性较佳3.电气绝缘性高于FR41.价格较FR4高2.较无法在基板上置放其它电子组件3.绝缘层热导特性不易掌握铜基板1.热导特性远高于铝基板 2.比热值低,较易拉升传导温度3.具有铝基板相同优点1.成本高,一般设计无法适用2.具有铝基板相同缺点共金板1.传导中心无阻绝,热导效率佳2.可适用于大功率多晶LED之基板应用1.不适用散热片带电极之LED设计2.成本过高,不适用于15W功率之应用3.开模成本高复合材料板1. 热导系数最高,可达500W/mK2.斥热性高,不留热能于本体1.生产制造不易,加工程序困难2.材料稳定性差,有常时间使用之疑虑3.成本过高,难以商业化量产二次散热材料介绍与应用铝材-挤型(拉升)1. 热导系数高,传热速度快2.模具成本低,且长度可任意切割3.加工制作容易1.硬度/钢性较不足2.外观较无变化,美学设计不易3.鳍片散热,较易造成灰尘堆积铝材-压铸1. 外型可任意变化,美化外观2.可大量快速生产1.模具设计开发成本高2.热导系数低,不利热能散逸涂布材料1.可增加外壳热散逸能力2.可减缓金属外壳氧化3.可美化外观1.增加成本2.增加系统热阻3.增加加工工艺接面材料介绍导热膏1. 成本低廉,使用容易2.无特定加工工艺1.不易均匀涂布,易形成气泡2.产品长时间稳定性不佳,易固化,且固化后形成热阻隔硅胶垫1.长时间耐温性能佳,可耐温125200°C2.温度越高,热传导性越佳3.具弹性特质,不易形成气泡1.成本高,增加产品成本2.厚度较高,一般在0.3mm以上热相变硅胶垫1. 具有一般硅胶垫的产品优势2.在高温时硅胶会软化以增加填缝效果及增加热导效率1.不易后制加工,且无法二次使用2.成伴随高功率LED的未来散热基板发展趋势 发布时间：2010-12-24 11:07:19字体：【大】【中】【小】浏览次数：27 次LED产业目前的发展也是以高功率、高亮度、小尺寸LED产品为发展重点，前述3项因素，都会使得LED的散热效率要求越来越高，但是LED限于封装尺寸等因素，无法采用太多主动散热机制，因此，提供具有其高散热性，精密尺寸的散热基板，也成为未来在LED散热基板发展的趋势。 散热基板随着线路设计、LED种类及功率大小有不同的设计，而产品的可靠性与价格是决定散热设计最重要的规范。散热基板主要的功能是提供LED所需要的电源及热传递的媒介，好的LED散热板是能够把80%-90%的热传递出去，这样的散热基板就是好的基板。传统LED由于LED发热量不大，散热问题不严重，因此只要运用一般的铜箔印刷电路板（PCB）即可。但随着高功率LED越来越盛行PCB已不足以应付散热需求。因此需在将印刷电路板贴附在金属板上，即所谓的Metal Core PCB（见下图），以改善其传热路径。另外也有一种做法直接在铝基板表面直接作绝缘层或称介电层，再在介电层表面作电路层，如此LED模块即可直接将导线接合在电路层上。同时为避免因介电层的导热性不佳而增加热阻抗，有时会采取穿孔方式，以便让LED模块底端的均热片直接接触到金属基板，即所谓芯片直接黏着。根据使用的金属基材的不同，分为铜基覆铜板、铝基覆铜板、铁基覆铜板，一般对于LED散热大多应用铝基板，是大功率LED使用最广泛的基板。同时，由于LED各领域消费市场的快速发展，对LED的散热提出了更高的要求，LED散热基板逐渐成为一个新的市场。因此，有相关公司在高功率散热基板研发上投入了较大的人力与物力，并取得了很大进展，一些公司的高功率散热基板已经进入批量生产，如美国贝格斯（Bergquist）、Laird、日本电气化学（DENKA）等。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NE Academy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。 （点击放大）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。 （点击放大）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。 （点击放大）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。 （点击放大）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”。 （点击放大）（点击放大）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（点击放大）（点击放大）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！ （点击放大）（点击放大）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”。 （点击放大）（点击放大）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。 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 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。 （点击放大）（点击放大）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。（点击放大）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。 （点击放大）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？ （点击放大）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（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。 （点击放大）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。 （点击放大）“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。 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 （点击放大）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。 （点击放大）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）。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。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”。 （点击放大）工作点 那么，在装置中安装风扇时，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。 （点击放大）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。 （点击放大）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。 （点击放大）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。 （点击放大）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” （Strike Zone）。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 （Chimney Effect），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。 （点击放大）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。 （点击放大）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） （点击放大）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际装置上采用的散热片的惊人一致之处。 在【技术讲座】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，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