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热设计基础知识(节选1)

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作者:凤康宏


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。

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。

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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。

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

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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。


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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

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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。

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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○○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。分别为传导对流热辐射。请注意,传导与对流表面文字相似,但绝不相同!

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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/。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/写成

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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

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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

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。

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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

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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。

(未完待续)

免责声明

1.本文部分图片来自网络,侵权删。

2.本文意图是为了向大家解说SONYPS3散热设计过程,但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)。比较适合热设计初学者学习。


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