超好的散热器设计文章.doc

今天玩家堂给大家带来一篇系列文章热设计基础。文章标题看似很唬人，其实内容非常浅显易懂，图文并茂（当然前提是你要认真读）。本文为索尼计算机娱乐设计公司2部5课，课长凤康宏撰写。虽然作者的意图是为了向大家解说sony ps3散热设计过程，但是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）。文中作者力图向大家阐述如何把复杂的问题简单化，并转化为我们所熟知的经验。这其中作者向我们介绍了在散热处理上风扇的选择（哪些参数才是决定性的，如何看参数等等内容）、风道的处理等一系列基础问题，文章中涉及的很多基础性质与定理性质的内容完全可以用到机箱散热、cpu散热，甚至是电源散热上，可以说这一系列文章可以作为diy玩家的参考资料也不为过。文章目录：第一章 热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律第二章 风扇只需根据能量收支决定第三章 散热片设计的基础是手工计算第四章 根据部件的热性能考虑空气流动和配置第五章 新款ps3的薄型化，要求重新设计冷却机构（上）第六章 新款ps3的薄型化，要求重新设计冷却机构（下）内容简介：其中第一章是通篇的基础，为下面各章节的出发点；第二、第三章则分别介绍了散热处理需要敲定的两个部件；第四章则是如何规划整个散热系统；第五、第六章则是介绍这些原理与散热经验是如何在ps3散热器上得以体现。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。 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。 第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。 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。 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”。 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。 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“将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”及“热辐射”。请注意，传导与对流表面文字相似，但绝不相同！ 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/（m）”。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/（m）”写成 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”。 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倍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”和“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。 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”。 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。 下面，估计一下实际设备的大小，然后试着计算从该箱体的表面会释放出多少热量。假设将大小与第一代ps3几乎相同（325mm275mm100mm）的方形箱体竖着放置，并且假设该箱体内外不换气。 环境温度按照产品的工作保证温度决定。在此，工作保证温度最高为35，假设再加上5作为设计余量。 下面再确定一下设备外装的表面温度吧！该温度由作为产品性能参数的容许温度决定。在此，假设箱体的表面温度同样为60。并且，将由外装使用的素材及颜色决定的表面辐射率设定为0.8。 此时，在其内部生成的不对，应该是在箱体内部由电转换为热量的能量，从箱体的表面通过热对流及热辐射的方式向外部转移。另外，估计设备表面与外部接触的部分只有小橡胶底座，因此不会通过热传导方式传递热量。 并且，暂不考虑散热片设计情况及处理器的温度。这里仅针对箱体大小、表面情况及外部温度决定的能量进出收支计算。 会是多少w呢？第一代ps3的最大发热量为380w。试想一下，其中来自外壳表面的散热会是多少？ 从箱体表面放出的热量为54.8w。而这是外壳表面温度均为60时的数值。实际上，外壳的表面温度分布不均，只有一部分为温度60。估计大部分无法达到规格温度。粗略估算一下，整体仅有6成为60，只能散热32.9w。估计现实中会更少。 综上所述，ps3大小的设备从外壳表面最多只能散热30w左右。可悲的是，这就是现实。产品的发热量如果为100w，剩余的70w必须采用其他方式强制释放出来。380w的话，剩下的就是350w。下一章将介绍为此而采用的换气措施。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“playstation 3”（ps3）大小（325mm275mm100mm）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。“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。受热部：承受发热源的热量传热部：将热量从受热部传递到散热部散热部：将热量传递到大气中水冷是指经由水进行热传递。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，和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，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，“能够以尽量接近理论值的较少的空气量进行冷却”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）。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。表示装置的通风阻力，即“向该装置中施加多少静压后，会有多少空气会流动起来”。一般称为“系统阻抗” （system impedance）。风扇的性能特性当被问及“该风扇的性能如何”时，如果可以用“10马力”等一个数值来表达就好了，但却不能这么做。这是因为，即便是同一个风扇，如果安装在阻力较大的箱体上，就只能使少量空气流动起来，如果安装在阻力较小的箱体上，则可以使更多的空气流动起来。将这种关系用图表来表示的话，会形成一条向右下方下降的线。就是表示风扇能力的曲线。表示“风扇在多大的静压时，会使多少空气流动起来”。一般称为“风扇的p-q特性”。工作点那么，在装置中安装风扇时，会产生多大的静压、流动多大的流量？表示该答案的就是和的交点工作点。在对强制进行空气冷却的产品进行设计，最先决定的是风扇的种类和大小。风扇的种类和大小先于散热片（散热板）和微细内部构造进行决定，这也许会让部分读者觉得意外。更准确的说，是已经被决定了。风扇有多种型号，p-q特性线的斜率会因种类而发生变化。这里将介绍三种具有代表性的风扇。轴流风扇：这是一种最普通的像电风扇扇翼一样的风扇。风从扇翼的旋转轴方向排出。特点是静压低、风量大。“playstation 2”（ps2）中采用了这种型号的风扇。离心式风扇：这是一种利用离心力引起空气流动的风扇。风从圆周方向排出。特点是静压稍高、风量稍少。ps3中采用的风扇就是这种型号。横流风扇（cross flow fan）：从旋转圆筒的一侧曲面大量吸入空气，然后从另一曲面大量排出。特点是风量超大、静压超低。适合换气量非常大、系统阻抗较低的产品。代表性例子就是空调的室内机。另外，即便是相同种类的风扇，如果大小和旋转次数不同，风量和静压也会发生变化。如果都变大的话，p-q特性线就会偏向右上方。下面将把各种风扇的特性绘制到p-q图中。将各种风扇p-q特性线的大致中间值作为代表值，两轴采用对数显示方式。按照横流风扇、轴流风扇和离心式风扇的顺序，静压越来越高。作为参考，还加入了机械式压缩机的数值。正如读者想像的那样，压力非常大，但流量非常少。将正在设计的产品所需风量和所需静压代入该图中，就可以判断出哪种型号的风扇是最佳选择。那么，笔者将以第一代ps2及第一代ps3为例来介绍风扇的选择方法。首先，估计所需的换气量。第一代ps2为了向空气中排出80w，所需的换气量为毎分钟0.24m3。第一代ps3为了承受470w的热量，需要毎分钟1.1m3的换气量。然后，估计系统阻抗。虽然只是“估计”，但实际上并不能通过纸上计算轻松地得出结果。对类似的机型进行测量，或者试制样机进行实验，这样更快吧。从结论来看，第一代ps2约为15pa，第一代ps3约为300pa。两者之间的差距起因于空气的流动路径。ps2采用的是从外壳前面吸气，然后冷却散热片和电源，最后直接从外壳背面进行排气的笔直流路。而ps3则是从多处吸气，对多处进行冷却，然后冷却电源，在外壳内转换方向从二层降到一层，对散热片进行冷却后排气。由于流路长而复杂，因此空气阻力较大。这时就需要可以解决这个问题的高静压风扇。热设计基础（三）散热片设计的基础是手工计算2011-02-23 21:58 来源：技术在线 字号:小大 我要评论(0) 【打印】在上一章里，确定了用于平衡整个装置能量收支的风扇种类。本文将以此为前提来设计散热片。从求出热传导率及散热量的公式来考虑即可得知，散热片（heat sink）的大概性能可通过简单的手工计算来求得。下面将结合首款ps3的实例，证实手工计算得出的结果与实际装置上采用的散热片的惊人一致之处。在热设计基础（二）风扇只需根据能量收支决定一文中曾提到整个装置中的热能收支是相互吻合的。下面，开始介绍散热片的设计。想让滚烫的拉面凉下来时，大家会怎么做？一般会呼呼地吹气，对吧？这是利用了【技术讲座】热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 中介绍的“热传导”原理的冷却方法。这个时候，怎样做才能让拉面有效地冷却下来呢？热传导实现的散热量公式如下：通过热传导实现的散热量w热传导率w/（m2）散热面积m2与周围的温度差由于温度差，也即拉面温度与吹出的气息温度之差是确定的，无法改变。然而，如果增加散热面积，就能增加散热量。如果将用筷子夹起的面条摊开，借此加大散热面积，并让所有面条都均匀地接触到空气，便可有效地使面条冷却下来。散热片（heat sink。字面意思是“热量分流槽”）利用了与此完全相同的思路。使发热源的热量扩散到面积较大的翼片（叶片）上，然后通过热传导将热量转移给空气，这就是散热片的功能。让我们来复习一下计算散热量时一定会用到的热传导率。热传导率会随着散热面的放置方式而发生变化。强制性地使空气沿着与散热板平行的方向流过时，热传导率的计算式如下。也就是说，与散热量相关的变量有以下4个。散热面积：越大越有利于散热。如果散热面积增加1倍，则散热量也增加1倍。我想大家经常会看到由多枚很薄的翼片重叠而成的散热片，其目的就是为了在狭小的空间获得较大的散热面积。温度差：温度差越大，则散热能力越高。如果温度差增加1倍，则散热量也增加1倍。散热片之所以采用铝及铜材料，就是为了在尽量不降低温度的情况下，把发热源的热量传导到翼片上。流速：流速提高，则热传导率也提高。不过，即使流速增加1倍，热传导率只增加0.4倍，也就是说，散热量只会增加0.4倍。气流方向的长度：该长度越短，则热传导率越高。这是因为，在气流方向的下游空气温度会上升，而冷却能力则会下降。在相同面积的翼片上，如果在气流方向上以长度较短、而横向较宽的方式配置散热片，则散热量增大。下面，让我们来计算一下散热片的散热能力。如右图所示，在80的散热板上，让40的空气平行流过的强制空冷散热片时的实例。从散热面散发出的热量达到了2.44w。因为每枚翼片都有正反两面，所以，应该有2倍的4.88w热量从翼片散发出来。让我们将这种翼片放到作为发热源的芯片上试试看。假定芯片的表面温度为80。在此，我们暂且忽略从芯片表面到翼片根部的热接触阻抗等，假设翼片根部的温度也是80。前面是在假设翼片温度均匀分布的情况下进行的计算，但实际上不可能整个翼片都是相同的温度。也许接近芯片的部分是80，但翼片上方的温度会略微下降。因此，散热量会小于上述的4.88w。例如，会减小到70或者85。随着翼片内部温度分布的不同，散热量会降低到翼片整体为均一温度时的百分之几，我们将这个百分数称为“翼片效率”。翼片效率可通过翼片的热传导率及尺寸进行计算。在刚才的例子中，假设翼片的热传导率为170w/（m）、厚度为1mm，我们将其带入到公式中算一下。得出翼片效率为81。就是说，每枚这种翼片的散热量为3.97w。假如想散发100w的热量，那么就需要26枚翼片。大家可以利用表计算软件等，试着改换多种变量来计算一下。这样就能切实感受到采用什么样的翼片时会散发多少热量。下面，让我们用以上介绍的计算方法来设计第一代“play-station 3”（ps3）的散热片。不过，在此之前必须有设计思想。设计是一门艺术，解不会是只有一个。基于什么样的想法、设计成什么形状，这些都必需在设计之初确定下来。否则的话，要么会中途迷失方向，误入歧途，从而求不出答案；要么最终得到一个修修补补、东拼西凑出来的设计。笔者在确定设计思想时，只想一个问题：“什么样的设计才是最理想的？”。我觉得，重要的是抛弃根据晦涩难懂的专业知识及经验得出的成见，单刀直入地考虑问题。首先，我们来考虑“理想的散热片”。理想的散热片究竟应该是什么形状的？为了提高热传导率，在气流方向上长度要短，在气流的横向上要宽，这是最理想的。这样才能使热量扩散到产生气流的整个区域。这与上一章介绍的“消除那些不做功而白白流过的空气”这一目的相吻合。在上一章，我们决定在首款ps3上采用离心式风扇。让我们按照这一理想，思考一下离心式风扇中的理想散热片形状。离心式风扇呈放射状地向所有方向进行排气。如果在这一气流发生的整个区域薄薄地配置上散热片的话。那就会形成像面包圈一样的形状。“对离心式风扇而言的理想散热片形状，是面包圈形”。笔者将此作为基本的设计思想，设计出了ps3的散热片。接下来，让我们来确定散热片设计的前提条件吧。首先是流速。根据装置整体热收支的计算，风扇的性能指标被确定下来。根据该数值可以计算出空气刚从风扇吹出时的流速为1.4m/s。然后是散热片的尺寸。假定“面包圈”的厚度与风扇相同，内径也与风扇相同。气流方向的长度暂且假设为30mm。这样，面包圈的外径便是200mm。材质为纯铝，翼片的板厚暂且假设为0.5mm。与温度相关的条件也必不可少。假定芯片表面的容许温度为80时，翼片的根部温度会低几度，因此，我们预先假设为75。另外，流入散热片的空气温度方面，我们设定得比40的环境温度高一些。这是因为，空气从吸气口进来之后，先对产品内的各部位进行冷却，然后才会到达散热片。因此，暂且定为50。最后是热处理能力。ps3的散热片负责冷却“cell”及“rsx”这两个lsi。在此，我们将其合在一起作为1个芯片进行计算。虽然cell及rsx的耗电量没有公布，但作为散热片，我将其热处理能力定为合计200w。利用以上条件，就可以通过前面列举的计算式来计算“需要几枚翼片”。因为翼片的尺寸为30mm30mm，所以，热传导率为26.4w/（m），平均每枚翼片的散热量为1.19w（翼片各处的温度一律为75时）。翼片效率为88，因此，实际的散热量为平均每枚1.04w。也就是说，要想散发200w的热量，则需要193枚翼片。如果在“面包圈”中均等地配置翼片，那么翼片的间距约为2.8mm。因为实际装置中还要配置其他部件，所以肯定不能向整个圆周方向进行排气。如果假定向整个圆周的70进行排气，则翼片的间距约为2mm。综上所述，首先通过简单的手工计算进行粗略的设计。然后，再结合商品的性能对数值进行微调，或者通过实验来更新“暂定”的数值，从而逐步推敲出一份最佳设计。如果利用表计算软件等，上述计算将会十分轻松。下面，笔者给大家介绍一下针对首款ps3实际开发的散热片的详情。首先，是散热片的基础部分。在刚才的计算中，我们将整齐排列的所有翼片的根部温度假定为75。假设身为热源的芯片的表面温度为80，那么就必须以温度下降5以内的方式、将热量从芯片输送到“面包圈”的整个基础部分。为此，ps3采用了导热管（heat pipe）。所谓的导热管，是一种可传输热量的铜制导管。两端通过焊接进行了密封，内部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都听过这样一个说法，如果在富士山的顶上烧开水，不到90就会沸腾。而导热管内部的水，由于在接近真空的环境下，所以在人体温的温度下就会沸腾。热源的热量借助因沸腾而比平时高出数倍的热传导率转移给了水蒸汽，这些水蒸汽在导管中温度较低的部分散热，变回液体的水。通过重复这一过程，导热管变得整体几乎没有了温度差。就是说，成了一个“热传导率接近于无限大的棒状物体”。很神奇吧。热设计基础（四）：根据部件的热性能考虑空气流动和配置2011-03-13 17:20 来源：技术在线 字号:小大 我要评论(0) 【打印】在热设计基础（三）散热片设计的基础是手工计算中，对用于将装置产生的热量输出到外部的风扇的选择方法，以及散热片的设计方法进行了阐述。其中数学公式较多，读起来可能会有些费劲。本文将对装置内的空气流动、即“气流”进行解说。由于是没有数学公式及数值的概念性内容，因此大家应该能够轻松阅读。在装置内部，除了微处理器（cpu）及图形处理lsi（gpu）以外，还有很多需要冷却的部件。比如，印刷线路板上的电路类部件、电源组件内的电源类部件、光驱的光学部件以及硬盘（hdd）等。装置内的部件多种多样。既有耐热性强的部件，也有耐热性差的部件。既有大量发热的部件，也有不怎么发热的部件。为了有效使用从外部吸入的空气来充分冷却这些部件，必须要注意装置内的气流及各部件的配置问题。即便对装置而言是最恶劣的使用条件，也要确保各个部件处于允许温度以下的环境中。这便是热设计的必要条件。虽然实际上会相对于允许温度留出数的富余量，但如果有某些部件无谓地过度冷却，那也会是一个问题。出现这种现象的原因是形成了无谓的空气流动。这样做不仅噪音会变大，而且还容易积累灰尘。可以说，“如何以最低限度的空气量来完成冷却”是热设计技术人员展示本事的地方。设计时需要使吸入的空气充分发挥作用，避免凉爽的空气直接从排气口排放出来。站在将热量高效地排出到外部的观点上来说，“使加热至接近允许温度极限的空气从排气口慢慢排放出来”是热设计的理想形态。在对气流进行设计时，首先必须要考虑的是“哪些部件必须要冷却”。可根据以下三个观点进行选择。允许温度低的部件热密度高的部件在形状上难以冷却的部件。首先来看一下允许温度低的部件。装置内的各种部件的允许温度各不相同。比如“playstation 3”使用的部件中，允许温度低的部件以光驱磁头及硬盘为代表。一般而言，这些部件的耐热温度大多在60左右。因此这些部件必须配置在流动空气的温度较低区域，即凉爽的地方。接下来说一下热密度高的部件。即使是发热量大的部件，只要尺寸够大，利用周围的风也可充分冷却，有些时候并不需要采取特别的对策。而在发热量只有数w，但尺寸在10mm以下等热密度较高时，不做任何处理的话有时也会出现意想不到的高温。热密度高的部件以电源类的功率元件及fet为代表。此外图像处理lsi也意外地热密度较高，因此需要严加注意，不要漏掉。这些部件的发热量绝对值较小，只配备少许散热片，或者使之与周围的金属板部件接触，即可轻松降低温度。另外，这些部件本身也大多以需要冷却对策为前提。通常都具备带有散热片安装孔的冷却板，或者使热量释放至底板的引脚等。最后来看一下形状上难以冷却的部件。装置中配备有多种形状的部件。表面封装ic等平坦形状的部件容易采取在表面上安装散热片，或者使之与金属板部件接触的对策。而线圈及变压器之类的部件没有表面能够用于轻松接触，只能直接用风来进行冷却。因此这些部件通常配备在空气流动量较大的地方或者风速较高的地方。确定了应该冷却的部件之后，便可进入考虑气流配置的工作环节。这时需要注意的是空气的温度及流速等会因位置不同而异。利用风扇进行强制空气冷却的装置从吸气口吸入凉爽的外部空气，在对装置内部进行冷却之后，从排气口将变热的空气排出。吸入装置内部的空气一边从装置内的各个部分吸取热能量，一边在机壳内行进，因此空气的温度会从气流上游到下游逐步上升。上游的凉爽空气具有较高的冷却能力。而下游的热空气就没有多少冷却能力了。因此，应该尽量将必须要充分冷却的部件及耐热较低的部件配置在上游。空气流量会受到机壳设计的影响，并不是固定的。比如可尝试采用由多个吸气口吸气，用一个风扇鼓风，然后由排气口排出的流路。如果是下图这样的气流的话，分散的各个吸气口当然只会吸入一部分空气。但在风扇前后方，流过装置内部的空气会全部集合在一起。也就是说，空气的流量会因位置不同而异。当然，流量大的话便可充分进行冷却。流量增加1倍的话，冷却能力也会增加1倍。另外，空气的流速在风扇的上游和下游有所不同，而且还会因为流路截面面积的不同而异。一般而言，由风扇吸引形成的上游空气的流速上较慢，而由风扇推压形成的下游空气则较快。而且流路的截面面积也大多会因位置的不同而各异。在截面面积大的位置上流速就会变慢，而在截面面积狭窄的位置上则会变快。流速当然也是越快的话就越能够充分冷却。但即使流速增加1倍，冷却能力也只能增加0.4倍。风扇在鼓风的同时还会产生压力。风扇下游的气压高于大气压，会产生正压，风扇上游的气压低于大气压，会产生负压。这样的话，如果正压区域与负压区域的分界线上存在间隙的话，空气就会从正压区域流向负压区域。风扇排出的空气必须与热能量一起全部彻底地排出机壳外部。空气在内部循环的话会使风扇做无用功。这样就需要在正压与负压的分界部分用海绵材料等彻底隔开，以防止泄漏。采用离心式风扇等高静压风扇的装置时尤其要注意这一点。概念性的内容先说到这里，下面来介绍一下ps3初期机型的冷却过程。ps3主要通过三个途径来吸气，集中到风扇的空气穿过散热片后排出。耐热温度低的光驱和硬盘配置在最上游的凉爽空气区域。热密度高的部件及难以冷却的部件较多的电源组件配置在空气温度较低，空气流量差不多即可的风扇紧前方，原因是光驱本身的发热量很少，空气温度几乎不会上升。cpu“cell”和gpu“rsx”的散热片配置在风扇的紧后方，这是为了高速流过全部空气来提高散热效果。底板上封装的、需要冷却的零散部件通过使之与1mm厚的铝板制框架接触来统一冷却。因为要一个个逐一安装散热片的话，部件数量太多。另外，机壳也是需要冷却的重要部件，因为表面温度规定有标准值。ps3通过使吸入的凉爽空气流过内部部件与机壳外装之间的间隙来进行冷却。从上图可以看出，风扇配置在了流路的中心位置。这是对之前所说过的“泄漏”必须加以注意的典型范例。通过仔细堵住全部间隙，防止了泄漏。下面对ps3初期机型的内部气流做进一步的详细介绍。下图是从上方观看横置的ps3时的状态。从右侧的吸气口流入的空气首先穿过光驱的上下方。之后从电源组件的保板上的开孔流入电源组件内部。这相当于路径一。为了不让气流从电源组件的外部穿过，在外装的内侧设置了海绵制成的隔断部件。接下来的这张图是从底面观看时的状态。对电源组件进行冷却后的空气从左侧开孔处流出来进入一层，然后直接流入风扇。流向风扇底面的流入口的空气还会对机壳底面进行冷却，可防止散热片的热量使机壳表面变热。这相当于路径二。装置前侧的檐下部分也有很多吸气口。由此吸入的空气流入主板下面与下侧框架的间隙对底板进行冷却，然后由风扇位于底板一侧的流入口吸入。这里也设置了海绵制成的隔断部件，以防止气流未对底板进行冷却而直接流入风扇。用于冷却硬盘的空气由左侧面的专用吸气口吸入。利用刚刚吸入的凉爽空气冷却硬盘后再用以冷却主板，然后由风扇位于底板一侧的流入口吸入。这相当于路径三。最后来看一下排气口周围的状况。由于从散热片流出的空气具有正压，因此需要使排气口周围与排气口紧密贴合起来。不然的话，排出的空气就会泄漏到外装的内侧。由于这是气流的压力、流量及流速最高的部分，因此必须要注意采取防泄漏对策。ps3初期机型的热设计就介绍到这里。从上述图中可以看出，空气路径较多。由于通气阻力较高，因此风扇需要具有可产生高静压的能力。而且还使用了非常多的隔断部件。这些都是ps3初期机型要改善的地方。另外，在与芯片的接触面上，没有采用直到“playstation 2”一直沿用的导热膜，而是采用了导热油。这样一来，接触面的温度降幅会相差几度。虽然成本会增高，但越是靠近热源、热量密度越大的部分，就越有效果，因而此次在接触面上涂覆了导热油。针对翼片的配置也下了工夫。在此次的设计思想中，风扇叶片的前端会以高速通过散热片的翼片近旁。如果将翼片1枚1枚地竖立着排列，也就是相对于风扇旋转方向垂直排列的话，叶片通过翼片的旁边会导致产生“啪嗒啪嗒”的风阻噪声。为了防止这种噪声，我们使翼片相对于风扇旋转方向呈水平状地进行了横向排列。这样完成的首款ps3的冷却单元，其形状如下方左图所示。如各位看到的那样，用于将热量转移给空气的冷却翼片，环绕着风扇周围进行配置。这与设计思想相吻合。如果风扇旋转，空气便会如下方右图箭头所示的那样流动。用于从芯片底板向翼片转移热量的立柱，没有采用圆柱，而是采用了扁平截面形状的柱材。这是为了使空气顺畅地流动。该立柱沿气流方向设置了角度后进行配置。在对于这种细节的研究中，充分利用了仿真技术。包括冷却翼片在内的散热片，实际上分为cell用及rsx用的两种。这是为了消除cell及rsx封装高度的误差。散热片可根据封装高度进行移动，以避免对底板及lsi施加压力。受热块从cell及rsx这两个芯片接收到的热量，通过合计5根导热管以及1mm厚的铝制芯片底板，沿水平方向扩散。通入了3根导热管的受热块为cell用，通入了2根的为rsx用。然后，沿水平方向扩散的热量转移到垂直竖立的“立柱”上，并被分配到插入立柱中的铝制翼片上。经过详细的实验及检验，翼片的间距最终定为2.0mm。受热块、芯片底板、导热管及立柱在涂了焊锡膏并进行组装之后，要在回流炉中加热，予以固定。覆盖并附着在导热管前端的板金部件，是防止冻结时变形的加强板。在包装状态下进行保管时等、气温达到0以下时导热管内部的传动液会冻结，导管产生膨胀。板金部件就是用于防止这一现象的。板金部件安装在包装状态下朝向下方的一侧，也就是积水的一侧。首款ps3的散热片设计大家觉得怎么样？实际开发的散热片的整体尺寸、冷却翼片的配置及间距等，与此前介绍的手工计算时的尺寸几乎一致。“手工计算能做到如此精确吗？！”，对此感到吃惊的人应该不在少数吧。所以，手工计算也不容小觑哦。手工计算时最重要的，并不是精度。理论上应该会出现什么结果？现实相对于理论值会出现多大的偏差？另外，有没有出现严重的失误？一边坚持不懈地去发现问题，一边进行设计，这才是至关重要的。当然，在这之后进行严格的实验并进行验证，这些工作也必不可少将需要的换气量和静压代入p-q图中。ps2的要求标准是轴流风扇的“好球区” （strike zone）。而离心式风扇恰好符合ps3的要求标准。然后，查看风扇厂商的产品目录，从符合p-q特性的风扇中选择大小刚好的产品。ps2和ps3风扇的扇翼形状是索尼自主开发的，参考各大公司的产品目录后，大致上就可以想象到其大小。顺便介绍一下，在第一代ps3中，为了获得每分钟1.1m3和300pa的性能，新开发出了直径为140mm、厚度为30mm的风扇。并且，ps2和“psx”中采用了直径为60mm、厚度为15mm的轴流风扇。至此，本文一直强调，“如果不用风扇，这些风量不会流动起来”。果真如此吗？肯定会有人持有这样的疑问，“如果最大限度地利用烟囱效应 （chimney effect），不是可以散热几十w左右吗”？如果温度变高，空气就会膨胀。也就是说，如果体积相同，热空气会变轻。较轻的空气被较重的空气推开，然后上升。这就是自然对流。如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上下面，可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。那么，如果假设整个产品外壳是烟囱，则可获得多大的流量呢？假设是一个大小与ps3基本相同的方形箱体，将其上面和下面全都敞开。然后求出此时因烟囱效应而产生的静压。40的空气密度为1.128kg/m3，60的空气密度为1.060kg/m3。空气密度之差乘以外壳高度后，得知静压为0.022kg/m2（0.216pa）。我们根据该静压来推算风量。因为有第一代ps2的系统阻抗测定值，因此可以使用。当施加通过烟囱效应获得的0.216pa静压时，流入第一代ps2的风量仅为毎分钟0.015m3。第一代ps2需要的风量，即便是理论值也高达每分钟0.24m3。毎分钟0.015m3这个数值完全不够！即使将整个产品外壳做成烟囱，也无望通过烟囱效应进行换气。结论还是必须得安装风扇。如上所述，所需风扇型号和大小全由能量情况决定。首先应决定风扇，“采用何种内部构造”及“采用什么样的散热片”等是次要的。姑且进行试制或姑且实现模块化进行模拟，如果未能冷却再安装风扇，这种开发方式无法制成出色的产品，而且会耗费开发时间。首先动手计算，搞清楚能量收支与风扇的必要性，才是合理的设计捷径。“playstation 3”的冷却机构在2009年上市的新款机型上作了大幅更新。这是因为，耗电的减少带来热设计的前提条件出现了变化，另外实现壳体的薄型化也需要调整冷却机构。但索尼计算机娱乐公司表示，热设计的基本思路从首款开始从未改变过。作为本系列连载的最终篇，笔者将为我们介绍新款ps3的冷却机构是怎样变化的。索尼计算机娱乐于2009年9月推出了新款“playstation 3”（ps3，型号为“cech-2000a”）。这种新款ps3的耗电量减少到了首款机型的约2/3。为此索尼更新了包括冷却机构在内的全部设计，外观设计也变更为新颖的薄型设计。在连载的最终回，本文将就新款ps3中的热设计升级换代情况作一紹介。 首款ps3的设计具有490w的热处理能力，而耗电量比以前下降的新款ps3则按照230w的热处理能力重新进行了设计。负责冷却ps3的主要lsi“cell”及“rsx”的散热片，首款机型按照热处理能力为200w进行设计，而新款则按照112w进行设计。让我们来看看新款ps3的内部布局首款ps3采用在装置的中央配置主板的双层构造。电源及光驱置于上层，在夹持底板的下层配置了冷却单元。为了实现薄型化，新款ps3采用了“平房”构造。在主板上并排放置了所有组件。这样组装工时可以大幅减少。下面将着重介绍有关热设计的几处重要更新。首先是主lsi微处理器“cell”以及图形处理lsi“rsx”的冷却单元。冷却单元的基本设计思路及构造，自首款ps3以来一直没有改变。只是在此基础上，对于新款机型进一步推进了小型化。风扇方面，与首款机型同样采用了离心式风扇。如果按照新款ps3的热处理能力为230w进行计算，则所需换气量为毎分钟0.36m3。另外，整个装置的系统阻抗 （system impedance，通气阻抗）为230pa。 如果将该值代入第2回（【技术讲座】热设计基础（二）风扇只需根据能量收支决定）中介绍的“p-q线图”中，就会发现离心式风扇对新款ps3而言也是最佳选择。不过，新款ps3的风扇大幅实现了小型化。这是因为，所需换气量从每分钟1.1m3减少到了每分钟0.36m3。风扇的直径也从140mm减小到了100mm。首款ps3的散热片，基于“离心式风扇的理想的散热片形状为炸面包圈形”这一设计思路设计而成（参见【技术讲座】热设计基础（三）散热片设计的基础是手工计算）。然而，新款ps3的散热片的形状则像是从炸面包圈上切下来一块一样。这样做是为了实现散热片的小型化。但是“让风扇吹出的所有空气都流入散热片”这一目的没有改变。所以新款ps3通过加装整流罩，使得气流集中到了散热片上。从新款ps3的风扇吹出的空气流速，为毎秒约1.5m。按照并排安装0.5mm厚的铝制散热片，如果用第3回介绍的方法进行计算，则散热片的间距约为2.8mm。事实上，新款ps3经过实验以及检验，最终定为2.3mm。新款ps3的散热片采用了横向排列，从而使得散热片与风扇的旋转方向呈平行状态。与首款ps3一样，这样做还是为了降低风阻噪声。冷却单元的背面如下图所示。虽然有cell及rsx这两个受热块，但仅在cell一侧的受热块上安置了1条散热的导热管。其实，随着耗电量的下降，首款ps3的后期机型已放弃了导热管设计。由于新款ps3优先考虑了小型化，因此，在热设计上又恢复了1条导热管。与首款机型一样，受热块接收的热量通过垂直竖立的立柱分配到散热片上。对吸气口及排气口的调整，是此次大幅改进的关键点。首款ps3由于所需换气量较多，因此，壳体上有许多吸排气口。而且是分散于壳体各处的。由此，为了确保外饰的树脂成型部件的生产效率颇费了一番气力。而