1、【技術講座】熱設計基礎（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律2010/08/16 00:00 在開發使用電能的電子設備時，免不了與熱打交道。“試制某產品后，卻發現設備發熱超乎預料，而且利用各種冷卻方法都無法冷卻”，估計很多讀者都會有這樣的經歷。如果參與產品開發的人員在熱設計方面能夠有共識，便可避免這一問題。下面舉例介紹一下非專業人士應該知道的熱設計基礎知識。 “直徑超過13cm，體積龐大，像換氣扇一樣。該風扇可獨立承擔最大耗電量達380W的PS3的散熱工作”。 以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy專題上的“PlayStation3”（PS3）拆解報道中的一句話。看過P

2、S3內像“風扇”或“換氣扇”一樣的冷卻機構，估計一定會有人感到驚訝。 “怎么會作出這種設計？” “這肯定是胡摸亂撞、反復嘗試的結果。” “應該運用了很多魔術般的最新技術。” “簡直就是胡來” 大家可能會產生這樣的印象，但事實上并非如此。 PS3的冷卻機構只是忠實于基礎，按照基本要求累次設計而成。既沒有胡摸亂撞，也不存在魔術般的最新技術。 在大家的印象里，什么是“熱設計”呢？是否認為像下圖一樣，是“一個接著一個采取對策”的工作呢？其實，那并不能稱為是“熱設計”，而僅僅是“熱對策”，實際上是為在因熱產生問題之后，為解決問題而采取的措施。 如果能夠依靠這些對策解決問題，那也罷了。但是，如果在產品設計

3、的階段，其思路存在不合理的地方，無論如何都無法冷卻，那么，很可能會出現不得不重新進行設計的最糟糕的局面。 而這種局面，如果能在最初簡單地估算一下，便可避免發生。這就是“熱設計”。正如“設計”本身的含義，是根據產品性能參數來構想應采用何種構造，然后制定方案。也可稱之為估計“大致熱量”的作業。 雖說如此，但這其實并非什么高深的話題。如果讀一下這篇連載，學習幾個“基礎知識”，制作簡單的數據表格，便可制作出能適用于各種情況的計算書，甚至無需專業的理科知識。第1章從“什么是熱”這一話題開始介紹。大家可能會想“那接下來呢”？不過現在想問大家一個問題。熱的單位是什么？ 如果你的回答是“”，那么希望你能讀一下

4、本文。熱是能量的形態之一。與動能、電能及位能等一樣，也存在熱能。熱能的單位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物體移動1m，使1g的水溫度升高0.24。 設備會持續發熱。像這樣，熱量連續不斷流動時，估計用“每秒的熱能量”來表示會更容易理解。單位為“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。 不只是熱量，所有能量都不會突然生成，也不會突然消失。它們不是傳遞到其他物質就是轉換為其他形態的能量。比如，100J的能量可在100N力的作用下將物體移動1m。使該“物體移動”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物體時，能量會以位能的形態保存在物體中。使用能量使物體加速運動時，則以動能的

5、形態保存在物體中。 100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24。這并不是通過升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來。如上所述，能量無論在何處都一定會以某種形態保存起來。能量既不會憑空消失，也絕不會憑空產生。這就是最重要“能量守恒定律”。 現在大家已經知道熱是一種能量，其單位用J表示了吧！能量會流動，如果表示每秒的能量，單位則為W。 那么讓我們回到最初提出的那個問題。是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過是根據能量的多少表現出來的一種現象。即使能量相同，如果集中在一個狹窄的空間內，溫度就會升高，而大范圍分散時，溫度就會降低。PS3等電器產品也完全遵守能

6、量守恒定律。從電源插頭流入的電能會在產品內部轉換為熱能，然后只會向周圍的物體及空氣傳遞。接通電源后一段時間內，多半轉換的熱能會被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量僅為少數。之后，裝置溫度升高一定程度時，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會無止境上升。很多人會認為，“熱設計是指設計一種可避免發熱并能使其從世界上消失的機構”。 就像前面指出的那樣，說是“發熱”，但并非憑空突然產生熱能。說是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。 如左圖所示,熱設計是指設計一種“將W的能量完全向外部轉移的機構”，其結果是可達到“以下”。大家首先要有一個正確的認識！ 下面看一下熱傳遞的方式。 熱能傳遞只有3種方式

7、。分別為“傳導”、“對流”及“熱輻射”。請注意，傳導與對流表面文字相似，但絕不相同！ 傳導是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。鋁和鐵的導熱性都很出色。這就是傳導。 如果用數值表示導熱性，樹脂為0.20.3，鐵為49，鋁為228，銅為386。這些都是指該物質的導熱率，單位為“W/（m·）”。越容易導熱的物質，該數值越大。 如果用一句話來表述導熱率的含義，即“有一種長1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1時，會流動多少W”。如果將其單位“W/（m·）”寫成 大家是不是立刻就明白了呢？對流是指熱能通過與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請大家聯想一下吃熱拉面

8、時的情景。用嘴吹一下，拉面就會變涼。那就是利用熱對流使熱從拉面表面向吹出的空氣傳遞的結果。 這也可用數值表示。比如，流體為水，散熱面水平放置時，自然對流就為（2.35.8）×100，受迫對流就為（1.25.8）×1000，水沸騰時就為（1.22.3）×10000。這就是各種情況下的傳熱系數，單位為“W/（m2·）”。 這個單位很容易理解。由于是“W/（面積·溫度差）”，因此它的意思就是“面積為1m2的面與周圍流體的溫度差為1時，會從該面傳遞多少W熱量”。 該傳熱系數受散熱面設置狀況的影響較大。根據流體的種類、流速及流動方向等，數值會發生變化。因

9、此，計算傳熱系數的公式會根據不同的情況發生改變。 比如，有一個溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動空氣時（受迫對流），可用左圖的公式求出傳熱系數。從該公式可知以下兩點。 傳熱系數與流速的平方根（）成比例 流速提高至2倍，傳熱系數也只提高至1.4倍 如果冷卻面積相同，流動的距離越長，傳熱系數越低 在冷卻面上流動的空氣吸熱后，會在溫度上升的同時繼續流動，因此冷卻能力會越來越弱 總之，冷卻熱的物體時，與使用強風使其冷卻的方法相比，橫向擴大散熱面，使整體通風的方法更有效。 下面介紹一下自然對流的情況。空氣自然對流時的傳熱系數用下圖的公式求解。這里出現兩個新詞，分別為“姿勢系數”和“代表長度”。

10、這些是根據面的形狀及設置方向定義的。右圖分別顯示了垂直和水平設置平板時的情況，其他面形狀及設置方向也各有姿勢系數及代表長度。 輻射是指經由紅外線、光及電磁波等從物體表面傳遞的方式。被電爐發出的紅色光照射后，會感到溫暖。這就是熱輻射。太陽的熱量穿過真空宇宙到達地球，這也屬于輻射。輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸放，而白色較難。 如果用數值來表示，其數值范圍為01。理論上來講，全黑物質為1，鋁為0.050.5，鐵為0.60.9，黑色樹脂為0.80.9。這就是熱輻射率（沒有單位）。 此處公開的公式是一個近似式，用于計算設置在空氣中的物體向周圍的空氣進行

11、輻射時傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時，可利用該公式準確計算出結果。 熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計算出“從表面溫度為的方形箱體表面會向空氣中釋放多少W的熱量”。 至此，總結了“熱設計的3條基礎知識”。不論是感覺“公式很難”的人，還是“早就知道”的人，只要了解這3條就足夠了。 總而言之，其根本是要“遵守原理原則”。不違背原理原則，一點一點仔細設計非常重要。就像中學和大學教科書中記載的那樣，基礎中的基礎最為重要。 下面，估計一下實際設備的大小，然后試著計算從該箱體的表面會釋放出多少熱量。假設將大小與第一代PS3幾乎相同（325mm×275mm×100

12、mm）的方形箱體豎著放置，并且假設該箱體內外不換氣。 環境溫度按照產品的工作保證溫度決定。在此，工作保證溫度最高為35，假設再加上5作為設計余量。 下面再確定一下設備外裝的表面溫度吧！該溫度由作為產品性能參數的容許溫度決定。在此，假設箱體的表面溫度同樣為60。并且，將由外裝使用的素材及顏色決定的表面輻射率設定為0.8。 此時，在其內部生成的不對，應該是在箱體內部由電轉換為熱量的能量，從箱體的表面通過熱對流及熱輻射的方式向外部轉移。另外，估計設備表面與外部接觸的部分只有小橡膠底座，因此不會通過熱傳導方式傳遞熱量。 并且，暫不考慮散熱片設計情況及處理器的溫度。這里僅針對箱體大小、表面情況及外部溫度

13、決定的能量進出收支計算。 會是多少W呢？第一代PS3的最大發熱量為380W。試想一下，其中來自外殼表面的散熱會是多少？ 從箱體表面放出的熱量為54.8W。而這是外殼表面溫度均為60時的數值。實際上，外殼的表面溫度分布不均，只有一部分為溫度60。估計大部分無法達到規格溫度。粗略估算一下，整體僅有6成為60，只能散熱32.9W。估計現實中會更少。 綜上所述，PS3大小的設備從外殼表面最多只能散熱30W左右。可悲的是，這就是現實。產品的發熱量如果為100W，剩余的70W必須采用其他方式強制釋放出來。380W的話，剩下的就是350W。下一章將介紹為此而采用的換氣措施。（特約撰稿人：鳳 康宏，索尼計算機

14、娛樂設計公司2部5課課長）【技術講座】熱設計基礎（二）風扇只需根據能量收支決定2010/08/17 00:00 上接本站報道： 【技術講座】熱設計基礎（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律與PS3同等大小的箱體所產生的自然散熱，最多也只有30W左右，這在確認熱相關基礎知識的第一篇文章中已經介紹過。有時必須利用某些手段強制性地排出剩余熱能。此時，電子產品中使用的是專門用來在產品內外進行換氣的風扇。該風扇根據能量的收支計算來決定。下面將介紹如何選擇風扇。 在講解熱傳遞基礎知識的本連載第一篇文章中得知，與第一代“PlayStation 3”（PS3）大小（325mm×275mm

15、15;100mm）基本相同的方形箱體表面，“最多只能散熱30W左右”。而事實上，有許多人無法認同這種解釋。他們的觀點大致有以下三種。 “好像有輻射特性非常出色的涂料？” “外殼全部采用鋁！” “如果采用水冷方式的話，可以進一步減小尺寸？” 在進入正題之前，我們先就這些觀點進行探討。 首先是“魔術涂料”。實際上，的確有一種可以提高表面輻射率的涂料。那么，我們將在上次計算中為0.8的輻射率，改為理論最高值1.0進行計算。雖然因輻射而產生的散熱量增至1.25倍，但整體上約為38W，只不過比上次的33W增加了5W。在“發熱量較少，而換氣的確困難”的狀況下，“魔術涂料”可成為強有力的幫手，但也并不是將散

16、熱量增至兩倍或三倍。 “外殼全部采用鋁！多花成本也無所謂！”這樣的話對于我這樣的機械愛好者真是求之不得然而，這種想法的出發點應該是“均勻外殼表面的溫度，從整個表面進行散熱”吧。這種情況下的答案顯而易見。上章中，考慮到外殼表面的溫度分布，粗略地估算為有“六成”分布達到60，散熱量估計為33W。假設外殼表面完全沒有溫度分布，整個表面均為60，那么不打“六折”，散熱量約為55W。 那么，反過來算一下，要想通過外殼表面散熱300W，表面溫度必須為多少。而且，輻射率為理論上的最高值1.0，同時沒有溫度分布！在這種條件下進行計算，得到的結果竟然是115。這種溫度豈止是摸上去會不會導致燒傷的問題！這種游戲機

17、太不安全了，無法銷售。 “如果采用水冷方式的話，將可以很好地降溫”。許多人都有這種簡單的想法。確實，自來水是比較涼。如果從自來水的水龍頭開始拉長水管連接到產品上的話，肯定可以很好地降溫。但是，不能這么做吧。 冷卻機構基本上由三個要素構成。 1 受熱部：承受發熱源的熱量 2 傳熱部：將熱量從受熱部傳遞到散熱部3 散熱部：將熱量傳遞到大氣中 水冷是指經由水進行熱傳遞。其原理是暫且將發熱源的熱量傳遞到水中，然后水（應該是熱水）流動到散熱部，最后排放到大氣中。 水冷后的水只在裝置中循環，最終必須通過某些方法將熱量排放到大氣中。原則上，和的大小即使采用水冷方式也不會發生變化。另外，如果采用水冷方式，就需

18、要泵和配管，這樣一來冷卻機構的體積就會變大。 水冷可以在下列幾種情況中發揮作用。汽車的發動機（發熱源）和散熱器（散熱部）就是代表性例子。 ?由于發熱部的熱密度較大，因此希望提高受熱部的熱導率 ?發熱部和散熱部遠遠地隔開 ?由于總發熱量較多、散熱部非常大，因此希望將熱量擴散到散熱部的各個角落 ?發熱源較多，希望通過一個散熱部統一進行散熱 至此，各位讀者心中已經有一個大致的答案了吧。即使運用各種方法，也無法從PS3這種大小的產品表面自然地放出200W或300W的熱量。剩余部分只能吸入空氣，然后使熱量滲入到空氣中，最后將變暖的空氣排放到產品外部。例如，如果整個裝置的發熱量為100W，則剩余的70W必

19、須通過“換氣”排出去。 那么，當流入空氣溫度為40、流出空氣溫度為60時，為了排出70W熱量需要多少空氣量呢？根據空氣熱容量按照下面的公式進行計算后得知，需要毎秒2.7L（毎分0.162m3）的空氣。即便只是想象一下，也是個很大的量啊。該風量無法通過自然換氣排出來，稍后將會詳細地進行介紹。最終結論是需要風扇。另外，第一代PS3的熱處理能力為500W，因此，為了通過換氣將減去30W后剩余的470W排出去，需要每分鐘1.1m3的換氣量。 不過，在實際的產品開發中，很難按照理論值進行。會使用稍多的流量。換言之，“能夠以盡量接近理論值的較少的空起量進行冷卻”將決定冷卻設計的優劣。如何減少未發揮作用而白

20、白通過的空氣，將成為顯示技術實力的關鍵。此處將介紹在本連載中今后會用到的便捷工具。這就是稱為“P-Q圖”或“P-Q特性”的圖表，縱軸表示靜壓（P）、橫軸表示流量（Q）。裝置的阻力特性 請想象一下有吸氣口和排氣口的裝置。空氣從吸氣口進入后，會在裝置內流動，然后從排氣口出來。此時，裝置中塞滿了部件，因此會阻礙空氣流動。如果在吸氣口施加低靜壓，會有少量空氣流動起來，如果施加高靜壓則會有大量的空氣流動起來。這是當然的。如果將這種關系用圖表來表示，會形成一條向右上方攀升的線。表示裝置的通風阻力，即“向該裝置中施加多少靜壓后，會有多少空氣會流動起來”。一般稱為“系統阻抗” （System Impedanc

21、e）。 風扇的性能特性 當被問及“該風扇的性能如何”時，如果可以用“10馬力”等一個數值來表達就好了，但卻不能這么做。這是因為，即便是同一個風扇，如果安裝在阻力較大的箱體上，就只能使少量空氣流動起來，如果安裝在阻力較小的箱體上，則可以使更多的空氣流動起來。 將這種關系用圖表來表示的話，會形成一條向右下方下降的線。就是表示風扇能力的曲線。表示“風扇在多大的靜壓時，會使多少空氣流動起來”。一般稱為“風扇的P-Q特性”。 工作點 那么，在裝置中安裝風扇時，會產生多大的靜壓、流動多大的流量？表示該答案的就是和的交點工作點。 在對強制進行空氣冷卻的產品進行設計，最先決定的是風扇的種類和大小。風扇的種類和

22、大小先于散熱片（散熱板）和微細內部構造進行決定，這也許會讓部分讀者覺得意外。更準確的說，是已經被決定了。 風扇有多種型號，P-Q特性線的斜率會因種類而發生變化。這里將介紹三種具有代表性的風扇。 軸流風扇：這是一種最普通的像電風扇扇翼一樣的風扇。風從扇翼的旋轉軸方向排出。特點是靜壓低、風量大。“PlayStation 2”（PS2）中采用了這種型號的風扇。 離心式風扇：這是一種利用離心力引起空氣流動的風扇。風從圓周方向排出。特點是靜壓稍高、風量稍少。PS3中采用的風扇就是這種型號。 橫流風扇（Cross flow Fan）：從旋轉圓筒的一側曲面大量吸入空氣，然后從另一曲面大量排出。特點是風量超大

23、、靜壓超低。適合換氣量非常大、系統阻抗較低的產品。代表性例子就是空調的室內機。 另外，即便是相同種類的風扇，如果大小和旋轉次數不同，風量和靜壓也會發生變化。如果都變大的話，P-Q特性線就會偏向右上方。下面將把各種風扇的特性繪制到P-Q圖中。將各種風扇P-Q特性線的大致中間值作為代表值，兩軸采用對數顯示方式。按照橫流風扇、軸流風扇和離心式風扇的順序，靜壓越來越高。作為參考，還加入了機械式壓縮機的數值。正如讀者想像的那樣，壓力非常大，但流量非常少。 將正在設計的產品所需風量和所需靜壓代入該圖中，就可以判斷出哪種型號的風扇是最佳選擇。 那么，筆者將以第一代PS2及第一代PS3為例來介紹風扇的選擇方法

24、。首先，估計所需的換氣量。第一代PS2為了向空氣中排出80W，所需的換氣量為毎分鐘0.24m3。第一代PS3為了承受470W的熱量，需要毎分鐘1.1m3的換氣量。然后，估計系統阻抗。雖然只是“估計”，但實際上并不能通過紙上計算輕松地得出結果。對類似的機型進行測量，或者試制樣機進行實驗，這樣更快吧。 從結論來看，第一代PS2約為15Pa，第一代PS3約為300Pa。兩者之間的差距起因于空氣的流動路徑。PS2采用的是從外殼前面吸氣，然后冷卻散熱片和電源，最后直接從外殼背面進行排氣的筆直流路。而PS3則是從多處吸氣，對多處進行冷卻，然后冷卻電源，在外殼內轉換方向從二層降到一層，對散熱片進行冷卻后排氣

25、。由于流路長而復雜，因此空氣阻力較大。這時就需要可以解決這個問題的高靜壓風扇。將需要的換氣量和靜壓代入P-Q圖中。PS2的要求標準是軸流風扇的“好球區” （Strike Zone）。而離心式風扇恰好符合PS3的要求標準。 然后，查看風扇廠商的產品目錄，從符合P-Q特性的風扇中選擇大小剛好的產品。PS2和PS3風扇的扇翼形狀是索尼自主開發的，參考各大公司的產品目錄后，大致上就可以想象到其大小。順便介紹一下，在第一代PS3中，為了獲得每分鐘1.1m3和300Pa的性能，新開發出了直徑為140mm、厚度為30mm的風扇。并且，PS2和“PSX”中采用了直徑為60mm、厚度為15mm的軸流風扇。至此，

26、本文一直強調，“如果不用風扇，這些風量不會流動起來”。果真如此嗎？肯定會有人持有這樣的疑問，“如果最大限度地利用煙囪效應 （Chimney Effect），不是可以散熱幾十W左右嗎”？ 如果溫度變高，空氣就會膨脹。也就是說，如果體積相同，熱空氣會變輕。較輕的空氣被較重的空氣推開，然后上升。這就是自然對流。如果用墻壁將又熱又輕的空氣包圍起來，敞開上下面，可進一步地促進自然對流。這就是煙囪效應。 那么，如果假設整個產品外殼是煙囪，則可獲得多大的流量呢？假設是一個大小與PS3基本相同的方形箱體，將其上面和下面全都敞開。然后求出此時因煙囪效應而產生的靜壓。 40的空氣密度為1.128kg/m3，60的

27、空氣密度為1.060kg/m3。空氣密度之差乘以外殼高度后，得知靜壓為0.022kg/m2（0.216Pa）。 我們根據該靜壓來推算風量。因為有第一代PS2的系統阻抗測定值，因此可以使用。 當施加通過煙囪效應獲得的0.216Pa靜壓時，流入第一代PS2的風量僅為毎分鐘0.015m3。第一代PS2需要的風量，即便是理論值也高達每分鐘0.24m3。毎分鐘0.015m3這個數值完全不夠！即使將整個產品外殼做成煙囪，也無望通過煙囪效應進行換氣。結論還是必須得安裝風扇。 如上所述，所需風扇型號和大小全由能量情況決定。首先應決定風扇，“采用何種內部構造”及“采用什么樣的散熱片”等是次要的。 姑且進行試制或

28、姑且實現模塊化進行模擬，如果未能冷卻再安裝風扇，這種開發方式無法制成出色的產品，而且會耗費開發時間。首先動手計算，搞清楚能量收支與風扇的必要性，才是合理的設計捷徑。（特約撰稿人：鳳 康宏索尼計算機娛樂公司設計2部5課課長） 【技術講座】熱設計基礎（三）散熱片設計的基礎是手工計算2010/09/01 00:00 打印 E-mail 在上一章里，確定了用于平衡整個裝置能量收支的風扇種類。本文將以此為前提來設計散熱片。從求出熱傳導率及散熱量的公式來考慮即可得知，散熱片（Heat Sink）的大概性能可通過簡單的手工計算來求得。下面將結合首款PS3的實例，證實手工計算得出的結果與實際裝置上采用的散熱片

29、的驚人一致之處。 在【技術講座】熱設計基礎（二）風扇只需根據能量收支決定一文中曾提到整個裝置中的熱能收支是相互吻合的。下面，開始介紹散熱片的設計。想讓滾燙的拉面涼下來時，大家會怎么做？一般會呼呼地吹氣，對吧？這是利用了【技術講座】熱設計基礎（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 中介紹的“熱傳導”原理的冷卻方法。這個時候，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來呢？ 熱傳導實現的散熱量公式如下： 通過熱傳導實現的散熱量W熱傳導率W/（m2·）×散熱面積m2×與周圍的溫度差 由于溫度差，也即拉面溫度與吹出的氣息溫度之差是確定的，無法改變。然而，如果增加散熱面積，就能增加

30、散熱量。如果將用筷子夾起的面條攤開，借此加大散熱面積，并讓所有面條都均勻地接觸到空氣，便可有效地使面條冷卻下來。 散熱片（Heat Sink。字面意思是“熱量分流槽”）利用了與此完全相同的思路。使發熱源的熱量擴散到面積較大的翼片（葉片）上，然后通過熱傳導將熱量轉移給空氣，這就是散熱片的功能。 讓我們來復習一下計算散熱量時一定會用到的熱傳導率。熱傳導率會隨著散熱面的放置方式而發生變化。強制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過時，熱傳導率的計算式如下。 也就是說，與散熱量相關的變量有以下4個。1 散熱面積：越大越有利于散熱。如果散熱面積增加1倍，則散熱量也增加1倍。我想大家經常會看到由多枚很薄的翼

31、片重疊而成的散熱片，其目的就是為了在狹小的空間獲得較大的散熱面積。2 溫度差：溫度差越大，則散熱能力越高。如果溫度差增加1倍，則散熱量也增加1倍。散熱片之所以采用鋁及銅材料，就是為了在盡量不降低溫度的情況下，把發熱源的熱量傳導到翼片上。 3 流速：流速提高，則熱傳導率也提高。不過，即使流速增加1倍，熱傳導率只增加0.4倍，也就是說，散熱量只會增加0.4倍。 4 氣流方向的長度：該長度越短，則熱傳導率越高。這是因為，在氣流方向的下游空氣溫度會上升，而冷卻能力則會下降。在相同面積的翼片上，如果在氣流方向上以長度較短、而橫向較寬的方式配置散熱片，則散熱量增大。 下面，讓我們來計算一下散熱片的散熱能力

32、。如右圖所示，在80的散熱板上，讓40的空氣平行流過的強制空冷散熱片時的實例。 從散熱面散發出的熱量達到了2.44W。因為每枚翼片都有正反兩面，所以，應該有2倍的4.88W熱量從翼片散發出來。 讓我們將這種翼片放到作為發熱源的芯片上試試看。假定芯片的表面溫度為80。在此，我們暫且忽略從芯片表面到翼片根部的熱接觸阻抗等，假設翼片根部的溫度也是80。 前面是在假設翼片溫度均勻分布的情況下進行的計算，但實際上不可能整個翼片都是相同的溫度。也許接近芯片的部分是80，但翼片上方的溫度會略微下降。因此，散熱量會小于上述的4.88W。例如，會減小到70或者85。 隨著翼片內部溫度分布的不同，散熱量會降低到翼

33、片整體為均一溫度時的百分之幾，我們將這個百分數稱為“翼片效率”。翼片效率可通過翼片的熱傳導率及尺寸進行計算。 在剛才的例子中，假設翼片的熱傳導率為170W/（m·）、厚度為1mm，我們將其帶入到公式中算一下。得出翼片效率為81。就是說，每枚這種翼片的散熱量為3.97W。假如想散發100W的熱量，那么就需要26枚翼片。大家可以利用表計算軟件等，試著改換多種變量來計算一下。這樣就能切實感受到采用什么樣的翼片時會散發多少熱量。 下面，讓我們用以上介紹的計算方法來設計第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。不過，在此之前必須有設計思想。設計是一門藝術，解不會是只有一個。基于

34、什么樣的想法、設計成什么形狀，這些都必需在設計之初確定下來。否則的話，要么會中途迷失方向，誤入歧途，從而求不出答案；要么最終得到一個修修補補、東拼西湊出來的設計。 筆者在確定設計思想時，只想一個問題：“什么樣的設計才是最理想的？”。我覺得，重要的是拋棄根據晦澀難懂的專業知識及經驗得出的成見，單刀直入地考慮問題。 首先，我們來考慮“理想的散熱片”。理想的散熱片究竟應該是什么形狀的？ 為了提高熱傳導率，在氣流方向上長度要短，在氣流的橫向上要寬，這是最理想的。這樣才能使熱量擴散到產生氣流的整個區域。這與上一章介紹的“消除那些不做功而白白流過的空氣”這一目的相吻合。在上一章，我們決定在首款PS3上采用

35、離心式風扇。讓我們按照這一理想，思考一下離心式風扇中的理想散熱片形狀。離心式風扇呈放射狀地向所有方向進行排氣。如果在這一氣流發生的整個區域薄薄地配置上散熱片的話。那就會形成像面包圈一樣的形狀。“對離心式風扇而言的理想散熱片形狀，是面包圈形”。筆者將此作為基本的設計思想，設計出了PS3的散熱片。 接下來，讓我們來確定散熱片設計的前提條件吧。首先是流速。根據裝置整體熱收支的計算，風扇的性能指標被確定下來。根據該數值可以計算出空氣剛從風扇吹出時的流速為1.4m/s。 然后是散熱片的尺寸。假定“面包圈”的厚度與風扇相同，內徑也與風扇相同。氣流方向的長度暫且假設為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200m

36、m。材質為純鋁，翼片的板厚暫且假設為0.5mm。 與溫度相關的條件也必不可少。假定芯片表面的容許溫度為80時，翼片的根部溫度會低幾度，因此，我們預先假設為75。另外，流入散熱片的空氣溫度方面，我們設定得比40的環境溫度高一些。這是因為，空氣從吸氣口進來之后，先對產品內的各部位進行冷卻，然后才會到達散熱片。因此，暫且定為50。 最后是熱處理能力。PS3的散熱片負責冷卻“Cell”及“RSX”這兩個LSI。在此，我們將其合在一起作為1個芯片進行計算。雖然Cell及RSX的耗電量沒有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計200W。 利用以上條件，就可以通過前面列舉的計算式來計算“需要幾枚翼片”

37、。 因為翼片的尺寸為30mm×30mm，所以，熱傳導率為26.4W/（m·），平均每枚翼片的散熱量為1.19W（翼片各處的溫度一律為75時）。翼片效率為88，因此，實際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說，要想散發200W的熱量，則需要193枚翼片。 如果在“面包圈”中均等地配置翼片，那么翼片的間距約為2.8mm。因為實際裝置中還要配置其他部件，所以肯定不能向整個圓周方向進行排氣。如果假定向整個圓周的70進行排氣，則翼片的間距約為2mm。綜上所述，首先通過簡單的手工計算進行粗略的設計。然后，再結合商品的性能對數值進行微調，或者通過實驗來更新“暫定”的數值，從而逐步推敲出一

38、份最佳設計。如果利用表計算軟件等，上述計算將會十分輕松。下面，筆者給大家介紹一下針對首款PS3實際開發的散熱片的詳情。首先，是散熱片的基礎部分。在剛才的計算中，我們將整齊排列的所有翼片的根部溫度假定為75。假設身為熱源的芯片的表面溫度為80，那么就必須以溫度下降5以內的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個基礎部分。為此，PS3采用了導熱管（Heat Pipe）。所謂的導熱管，是一種可傳輸熱量的銅制導管。兩端通過焊接進行了密封，內部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都聽過這樣一個說法，如果在富士山的頂上燒開水，不到90就會沸騰。而導熱管內部的水，由于在接近真空的環境下，所以在人體溫的溫度

39、下就會沸騰。熱源的熱量借助因沸騰而比平時高出數倍的熱傳導率轉移給了水蒸汽，這些水蒸汽在導管中溫度較低的部分散熱，變回液體的水。通過重復這一過程，導熱管變得整體幾乎沒有了溫度差。就是說，成了一個“熱傳導率接近于無限大的棒狀物體”。很神奇吧。 另外，在與芯片的接觸面上，沒有采用直到“PlayStation 2”一直沿用的導熱膜，而是采用了導熱油。這樣一來，接觸面的溫度降幅會相差幾度。雖然成本會增高，但越是靠近熱源、熱量密度越大的部分，就越有效果，因而此次在接觸面上涂覆了導熱油。 針對翼片的配置也下了工夫。在此次的設計思想中，風扇葉片的前端會以高速通過散熱片的翼片近旁。如果將翼片1枚1枚地豎立著排列

40、，也就是相對于風扇旋轉方向垂直排列的話，葉片通過翼片的旁邊會導致產生“啪嗒啪嗒”的風阻噪聲。 為了防止這種噪聲，我們使翼片相對于風扇旋轉方向呈水平狀地進行了橫向排列。 這樣完成的首款PS3的冷卻單元，其形狀如下方左圖所示。如各位看到的那樣，用于將熱量轉移給空氣的冷卻翼片，環繞著風扇周圍進行配置。這與設計思想相吻合。如果風扇旋轉，空氣便會如下方右圖箭頭所示的那樣流動。 用于從芯片底板向翼片轉移熱量的立柱，沒有采用圓柱，而是采用了扁平截面形狀的柱材。這是為了使空氣順暢地流動。該立柱沿氣流方向設置了角度后進行配置。在對于這種細節的研究中，充分利用了仿真技術。 包括冷卻翼片在內的散熱片，實際上分為Ce

41、ll用及RSX用的兩種。這是為了消除Cell及RSX封裝高度的誤差。散熱片可根據封裝高度進行移動，以避免對底板及LSI施加壓力。 受熱塊從Cell及RSX這兩個芯片接收到的熱量，通過合計5根導熱管以及1mm厚的鋁制芯片底板，沿水平方向擴散。通入了3根導熱管的受熱塊為Cell用，通入了2根的為RSX用。 然后，沿水平方向擴散的熱量轉移到垂直豎立的“立柱”上，并被分配到插入立柱中的鋁制翼片上。經過詳細的實驗及檢驗，翼片的間距最終定為2.0mm。受熱塊、芯片底板、導熱管及立柱在涂了焊錫膏并進行組裝之后，要在回流爐中加熱，予以固定。覆蓋并附著在導熱管前端的板金部件，是防止凍結時變形的加強板。在包裝狀態下進行保管時等、氣溫達到0以下時導熱管內部的傳動液會凍結，導管產生膨脹。板金部件就是用于防止這一現象的。板金部件安裝在包裝狀態下朝向下方的一側，也就是積水的一側。 首款PS3的散熱片設計大家覺得怎么樣？實際開發的散熱片的整體尺寸、冷卻翼片的配置及間距等，與此前介紹的手工計算時的尺寸幾乎一致。 “手工計算能做到如此