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