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2 热设计的基础知识2.1基本术语2.1.1 热环境设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况2.1.2 热特性设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
2.1.3 热阻热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类（热扩展效应）2.1.4 导热系数表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃2.1.5 对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃2.1.6 流阻反映流体流过某一通道时所产生的压力差。
单位帕斯卡或mm.H2O或巴2.1.7 定性温度确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度2.1.8 肋片的效率表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比2.1.9 黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。
2.1.10 雷诺数R e(Reynlods)雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。
2.1.11普朗特数P r(Prandtl)普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
2.1.12 格拉晓夫数G r(Grashof)格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，G r越大，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。
2.1.13努谢尔特数N u(Nusseltl)反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。
2.1.14 传热单元数NTU为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。
热设计基础（上）一、基础知识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。
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”。
℃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。
电子产品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，输入的能量与排出的能量必定一致。
否则温度便会无止境上升。
热量的传递有导热，对流换热及辐射换热三种方式。
在终端设备散热过程中，这三种方式都有发生。
三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算其中λ、α 、ε分别为导热系数，对流换热系数及表面的发射率，A是换热面积。
热设计的目的：采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。
耗散的热量决定了温升，因此也决定了给定器件的温度；热量以导热，对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比；热量、热阻和温度是设计中的重要参数。
温升：元器件温度与环境温度的差热耗：元器件正常运行时产生的热量。
热耗不等同于功耗。
热流密度：单位面积上的传热量，单位W/m。
l热阻：热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力大小。
Rja，元器件的热源结构(junction)到周围冷却空气(ambient)的总热阻。
Rjc，元器件的热源结到封装外壳间的热阻。
Rjb，元器件的结与PCB板间的热阻。
常见的散热方式：自然对流换热通过自然对流的方式冷却，不必使用风扇，主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面，实现散热。
这种换热方式不需要任何辅助设备，成本低。
【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。
“直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。
该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。
以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。
看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。
“怎么会作出这种设计？”“这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。
”“应该运用了很多魔术般的最新技术。
”“简直就是胡来……”大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。
PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。
既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。
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。
如左图所示,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0.2～0.3，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（2.3～5.8）×100，受迫对流就为（1.2～5.8）×1000，水沸腾时就为（1.2～2.3）×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1m2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→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→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。
被电炉发出的红色光照射后，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0～1。
理论上来讲，全黑物质为1，铝为0.05～0.5，铁为0.6～0.9，黑色树脂为0.8～0.9。
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（325mm×275mm×100mm）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。
【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“PlayStation 3”（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。
“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。
