热设计讲座

热设计讲座（一）常用词汇和三种传热方式热设计是设备开发中必不可少的环节。本连载将为大家讲解热设计中的常见词汇，然后结合习题，学习三种传热方式及各种方式的作用，以及能够简化散热措施相关计算的“热欧姆定律”等。关于“热”，最重要的定律是“能守恒定律”，因为热也是一种能量。热能出现后不会消失，只能转移到其他物体或转移成其他形式。也就是说，制造散热机构的目的，就是想办法让热尽快转移。水会蒸发但是不会消失，与热类似。下面就以水为例来解释热（图1）。水从水龙头中流出相当于发热，积存的水量（L）相当于热量（J），水位（m）相当于温度（K或℃）。图1：用水打比方，思考热的移动从宏观来看，热是“能量的集合”，可以认为与水相同。热量的单位是“J（焦耳）”，温度（相当于水位）由单位时间产生的热能及其移动量决定，因此，热计算中主要使用的公式是热流量（J/s或W）。根据能量守恒定律，能量是守恒的，但温度不守恒。守恒意味着加法成立，例如，1J热量加上1J热量等于2J热量。但另一方面，就像容器改变大小后水位会发生变化一样，温度也会随状态改变，加法自然不成立。根据守恒守恒定律，热能只能转移，因此，要想实现散热，就必须要把热释放出去。如果水龙头一直出水，容器（图1中的水箱A）的水位就会一直上升，最终灌满整个容器。而散热措施的作用，就是防止水位上升。因此，我们通过用管道将水箱A与其他容器（图1中的水箱B）连接的方法来放水。管道越粗，释放到水箱B里的水就越多，A的水位也就越低。这种对管道的控制就是热设计。热设计中的常用词汇电子产品中经常会用到“热阻”（K/W）这个词。在图1的示例中，连接A和B的管道越细，水就越难流出，A和B之间的水位差也就越大。相反，加粗管道后，AB之间的水位差将会消失。这种阻碍水流动的作用就相当于热阻。举例来说，当热流量为1W、温度上升1K时，热阻就是1K/W。在热设计中，热阻扮演着非常重要的角色。因为只要知道热阻，就能构思出散热措施，例如“如果要制造热阻为5K/W的散热片，尺寸大约会达到50mm×50mm×30mm”、“热阻为0.1K/W、因此必须要有风扇”等等。发热量和散热量也是热设计的常用词汇，但二者都属于“热流量”（W），表示1秒的时间中产生或转移的热量。“热容量”（J/K）也是一个重要参数。热容量相当于图1中水箱A的底面积。如果底面积大，即使加入大量的水，水位也不容易上升。相反，如果底面积小，即使只加入少量的水，水位也会猛涨。热也是如此，如果是热容量大的大铁块，就算发热量大，温度也很难升高。相反，如果是热容量小的小塑料容器，哪怕发热量不大，温度也会迅速升高。也就是说，热容量代表的是水位上涨1m需要注入多少L水，即使温度升高1K需要多少J热量。假设热容量为1J/K，热流量为1W。此时，1秒钟将有1J的热能流入；而每吸收1J的热量，温度会升高1K。因此，如果忽略热量的流失，1秒的时间中温度会升高1K。由此可知，只要知道了热容量，就能推算出温度的升降。热容量等于“比热×重量”，计算非常简单（注1）。比热是单位质量物质的热容量，单位为J/kg·K（或J/kg·℃）。质量则是体积×密度。比热和密度都是物理性质，可以在手册中查到，而且，体积是由尺寸决定的，因此，只要知道材料和尺寸，就能计算出热容量。至于印刷电路板等复合材料，在计算出各种材料的热容量之后，相加即为总的热容量。（注1）热阻的计算方式因热传导、热对流、热辐射等热移动的方式而异，非常复杂。“热流密度”（W/m2）在图1中指的通过管道时热流量的密度，也叫热通量。通常来说，通过的热量是发热量，发热量除以表面积即为热流密度。因为发热量代表发热能力，表面积代表散热能力，所以，热流密度就相当于发热能力与散热能力之比。因为物体内的热量只能通过该物体与空气接触的面、也就是表面释放，所以，在热量通过的部分中，表面积是最重要的条件。热流密度与温度的上升量成正比，热流密度越大，温度上升越多。反言之，通过管理热流密度，可以使温度控制在一定水平以下。例如，在印刷电路板上安装部件时，热流密度等于部件的总发热量除以印刷电路板的总表面积。如果采用自然空冷，一般来说，热流密度达到400W/m2以上就容易发生故障，因此要控制在300W/m2左右。如上所述，通过计算热流密度，可以实现安全的设计。因此，在分割电路板时，要尽量考虑到热流密度，做到均匀分割。而且，不只是整块电路板，对于每一个部分也要遵循这样的思路。假设整块电路板的热流量为5W，如果把2W和1W的部件集中在一起，这一部分的热流密度就会增加，导致散热效率降低。通过像这样综合管理整体和单独的热流密度，散热措施的设计会变得轻松许多。传热有三种基本方式下面来看热的转移。热转移的本质是物体内部的分子、原子、电子的动能向外传播。传热有“热传导”、“热对流”和“热辐射”三种方式（图2）。这三种方式有层次之分，并非平等关系。大致可以区分为“物质传热”和“电磁波传热”两种。热传导和热对流属于前者，是利用物质的振动传递热量的现象，热辐射属于后者。图2：微观的热移动传热方式有热传导、热对流、热辐射三种。热传导与热对流都是利用物质传热，热辐射则是通过电磁波传热。首先，热传导依靠的是晶格振动的传播，以及金属中自由电子的移动。金属的电导率与热导率成正比。这是因为二者的原理相同，自由电子的移动越容易，金属就越容易导电、导热。因此，自由电子越容易移动（电阻小）的金属，热导率越高。热对流是利用流体的运动传热。每一个分子的运动其实都是热运动，热运动会产生热能，在不受拘束的流体中，热能是以整体的形式流动。第三个方式热辐射是经由电磁波的移动，无需物质。太阳热穿越宇宙空间抵达地球的现象就属于这种方式。携带电荷的粒子振动会产生电磁场，释放出电磁波。只要温度不是绝对零度，任何物体都在振动，物质必然释放电磁波。某种物质释放的电磁波在抵达温度较低的物体后，会激发振动，转化成热能。因此可以说，热辐射是在与可见的所有空间进行热交换。热传导与热对流不是独立的现象。比如，把空气封闭在狭小的空间内时，空气将停止运动（热传导），但开放空间后，空气将恢复运动（热对流）。这样一来，根据缝隙大小的不同，空气时而发生热传导，时而发生热对流。但热辐射是与二者完全不同的现象，热传导不可能转化成热辐射。如果按照热传导、热对流、热辐射三种方式，分别推导热移动的公式，公式将大相径庭。对于热设计而言，这样的情况很让人头疼。整合不同的公式费时费力，如果可能的话，公式最好相同。这就到了“热欧姆定律”登场的时候了，具体内容将在下次介绍。（二）热欧姆定律及三种传热方式在散热中的作用热设计是设备开发中必不可少的环节。本连载将为大家讲解热设计中的常见词汇，然后结合案例，学习三种传热方式及各种方式的作用，以及能够简化散热措施相关计算的“热欧姆定律”等。热欧姆定律上一篇中介绍了热传导、热对流、热辐射三种传热方式，如果对其分别推导热移动公式，公式将大相径庭。对于热设计而言，这样的情况很让人头疼。整合不同的公式费时费力，如果可能的话，公式最好相同。这就到了“热欧姆定律”登场的时候了。无论是热传导、热对流，还是热辐射，传热基本与温差成正比。温差越大，传递的热量越多。不只是热能，这样的现象还有许多。例如，不管是电、水，还是空气，只要施加压力，就会产生一定的流量。表1进行了简单的汇总。温度、电压和压力都是“势能”。能量密度一旦出现落差，就会产生流动。但施加少量的压力并不会带来无限的流动。在这两个数值之间，存在着一个常数关系。电压除以电流会得到固定的数值，也就是电阻。热能同样如此，温度除以热流量即为热阻。因此，只要是能用势能、流量、阻值这三个数值来表现的，都可以这样处理。热欧姆定律有两个表达式（注3）。（注3）温度的常用单位是℃，但国际单位制推荐使用K（开尔文）。热流量（W）=传热能力（W/K）×温差（K（℃））其中，传热能力就是传热系数。下面的公式更接近电学定律。温差（K（℃））=阻热能力（K/W）×热流量（W）阻热能力就是热阻。借助热欧姆定律，电学定律也能用在热力学中。最重要的是串联法则和并联法则也能用在热阻上。因为通过这些定律，可以完成复杂的散热路径的计算。电学的串联法则是“电阻串联时，各电阻相加等于总电阻”，该法则也适用于热阻（图3上）。当发热体位于上方，三种物质在下方成层状排列时，热能将从上向下，逐层通过不同的物质。因此，分别求出第一层、第二层、第三层的热阻并且相加，就是总热阻。电阻的并联法则也能用于热阻（图3下）。热阻的倒数相加等于总热阻的倒数。热阻的倒数就是传热系数，因此传热系数一一相加即为总传热系数。图3：利用与电的相似性利用电与热的相似性，可以轻松实现热阻的串联合成、并联合成。在冷却设备时，三种传热方式的作用在热设计中，热传导、热对流、热辐射各自发挥着怎样的作用？就电子产品而言，热传导负责使温度均匀，热对流负责降低平均温度，热辐射则起到辅助热对流的作用（图4）。例如，当电路板上安装的部件的温度升高时，首先，为了提高热传导性能，可以在电路板上留置铜箔，或是使用铝基板替代树脂基板。因为热导率低不易传热，所以电路板边缘处温度较低低（图4虚线）。如果提高热导率，热量就能传到较远处，则电路板边缘处的温度也会升高。相应的，热源的温度则会降低（图4实线）。图4：热传导、热对流、热辐射的作用热传导、热对流、热辐射在电器冷却中发挥的作用。前面已经讲过，在固体中，温差的消失可以说依靠的是热传导的作用。反言之，在温度分布均匀的情况下，热传导就无用武之地。例如，在表面温度较高时，如果有温度低的地方，则可以通过连接高温部分和低温部分来消除温差。这就是基于热传导的散热措施。但是，如果所有位置的温度相同，无法通过热传导降温的话，就要考虑基于热对流和热辐射的散热措施。热对流是热量从固体转移到空气中的途径。因此，增加热对流的传热量后，整体的温度将会降低。扩大表面积就是增加热对流的一种措施。但这种方法等于扩大尺寸，往往不能被接受。虽然也可以安装散热片或是设置鳍片，但出于设计的原因，这种方式也常常不被接受。除此之外，还有利用风扇使空气流动等提高传热率的方式。如上所述，因为参数只有表面积和传热率，所以通过热对流散热比较困难。热辐射除了像热对流一样增加表面积之外，还可以通过采用易于辐射热量的表面来提高辐射率。但就整体而言，辐射所占的比例很小。以一般的自然空冷式电子设备为例，热对流在散热中所起的作用占到8成，热辐射只占2成左右。因此，在到最后的最后，无论如何还要再降低2～3℃的时候，热辐射是不错的选择。但热辐射在高温时的效果比较好。当达到80～90℃的高温时，热辐射在散热中的作用甚至能占到4成左右，温度越高，热辐射的效果越明显。热传导的热阻与传热系数如上所述，消除固体的温差主要是靠热传导。因此，希望大家把热传导的公式铭记在心。图5：热传导的热阻与传热系数一维热传导需要掌握的事项。在图5中，箱子左侧面T1与右侧面T2存在温差，热沿着箱子移动。假设我们要求出此时的热流量W，或是T1与T2的温差。求温度与热流量的关系使用下面的公式。热流量=（截面积×热导率/长度）×（T1-T2）截面积×热导率/长度就是传热系数。如果截面积扩大到2倍，在温差相同的情况下，转移的热量也将增至2倍。也就是说，只要扩大传热面，释放的热量就会成正比增加。另一方面，按照上面的公式，如果把T1到T2的长度缩短一半，而两边的温度保持不变，则热流量将增至2倍，因此，转移的热量就会增至2倍。热导率是物理性质，可以从热力学相关技术手册上查到。也可以用实验的方法，确定热流量，通过检测温差求出。因为传热系数与热阻成倒数关系，所以只要把分母与分子对调，就能求出热阻。热阻=长度/（截面积×热导率）（三）热设计实战练习【练习】发热体的大小与发热量/温度让我们利用第一篇和第二篇中介绍的知识，来试着思考一下物体的散热能力。首先，假设有一个尺寸为50mm×50mm×50mm（体积125mL）、内嵌发热体的立方体。发热量为12.5W时，立方体升温60℃。接着，再用相同材料制作一个更大的立方体，尺寸为100mm×100mm×100mm。发热量