散热设计技术讲座2

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1、【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。

2、  “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

3、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

4、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,

5、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

6、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

7、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。

8、①表示装置的通风阻力,即

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