作者：鳳康宏
熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)（3）--散熱片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是手工計(jì)算
在上一章里，確定了用于平衡整個(gè)裝置能量收支的風(fēng)扇種類(lèi)。本文將以此為前提來(lái)設(shè)計(jì)散熱片。從求出熱傳導(dǎo)率及散熱量的公式來(lái)考慮即可得知，散熱片（Heat Sink）的大概性能可通過(guò)簡(jiǎn)單的手工計(jì)算來(lái)求得。下面將結(jié)合首款PS3的實(shí)例，證實(shí)手工計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際裝置上采用的散熱片的驚人一致之處。熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)（2）風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定一文中曾提到整個(gè)裝置中的熱能收支是相互吻合的。
下面，開(kāi)始介紹散熱片的設(shè)計(jì)。
想讓滾燙的拉面涼下來(lái)時(shí)，大家會(huì)怎么做？一般會(huì)呼呼地吹氣，對(duì)吧？這是利用了【技術(shù)講座】熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 中介紹的“熱傳導(dǎo)”原理的冷卻方法。這個(gè)時(shí)候，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來(lái)呢？
熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量公式如下：
通過(guò)熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量［W］＝熱傳導(dǎo)率［W/（m2·℃）］×散熱面積［m2］×與周?chē)臏囟炔睿邸妫?/span>
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(wú)法改變。然而，如果增加散熱面積，就能增加散熱量。如果將用筷子夾起的面條攤開(kāi)，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(lái)。
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(fā)熱源的熱量擴(kuò)散到面積較大的翼片（葉片）上，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量轉(zhuǎn)移給空氣，這就是散熱片的功能。
讓我們來(lái)復(fù)習(xí)一下計(jì)算散熱量時(shí)一定會(huì)用到的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率會(huì)隨著散熱面的放置方式而發(fā)生變化。強(qiáng)制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過(guò)時(shí)，熱傳導(dǎo)率的計(jì)算式如下。
也就是說(shuō)，與散熱量相關(guān)的變量有以下4個(gè)。
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(jīng)常會(huì)看到由多枚很薄的翼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(fā)熱源的熱量傳導(dǎo)到翼片上。
③流速：流速提高，則熱傳導(dǎo)率也提高。不過(guò)，即使流速增加1倍，熱傳導(dǎo)率只增加0.4倍，也就是說(shuō)，散熱量只會(huì)增加0.4倍。
④氣流方向的長(zhǎng)度：該長(zhǎng)度越短，則熱傳導(dǎo)率越高。這是因?yàn)椋跉饬鞣较虻南掠慰諝鉁囟葧?huì)上升，而冷卻能力則會(huì)下降。在相同面積的翼片上，如果在氣流方向上以長(zhǎng)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(lái)計(jì)算一下散熱片的散熱能力。如右圖所示，在80℃的散熱板上，讓40℃的空氣平行流過(guò)的強(qiáng)制空冷散熱片時(shí)的實(shí)例。
從散熱面散發(fā)出的熱量達(dá)到了2.44W。因?yàn)槊棵兑砥加姓磧擅妫裕瑧?yīng)該有2倍的4.88W熱量從翼片散發(fā)出來(lái)。
讓我們將這種翼片放到作為發(fā)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(shè)翼片根部的溫度也是80℃。
前面是在假設(shè)翼片溫度均勻分布的情況下進(jìn)行的計(jì)算，但實(shí)際上不可能整個(gè)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(huì)略微下降。因此，散熱量會(huì)小于上述的4.88W。例如，會(huì)減小到70％或者85％。
隨著翼片內(nèi)部溫度分布的不同，散熱量會(huì)降低到翼片整體為均一溫度時(shí)的百分之幾，我們將這個(gè)百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為“翼片效率”。翼片效率可通過(guò)翼片的熱傳導(dǎo)率及尺寸進(jìn)行計(jì)算。
在剛才的例子中，假設(shè)翼片的熱傳導(dǎo)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(shuō)，每枚這種翼片的散熱量為3.97W。假如想散發(fā)100W的熱量，那么就需要26枚翼片。
大家可以利用表計(jì)算軟件等，試著改換多種變量來(lái)計(jì)算一下。這樣就能切實(shí)感受到采用什么樣的翼片時(shí)會(huì)散發(fā)多少熱量。
下面，讓我們用以上介紹的計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì)第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。
不過(guò)，在此之前必須有設(shè)計(jì)思想。
設(shè)計(jì)是一門(mén)藝術(shù)，解不會(huì)是只有一個(gè)。基于什么樣的想法、設(shè)計(jì)成什么形狀，這些都必需在設(shè)計(jì)之初確定下來(lái)。否則的話，要么會(huì)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(gè)修修補(bǔ)補(bǔ)、東拼西湊出來(lái)的設(shè)計(jì)。
在確定設(shè)計(jì)思想時(shí)，只想一個(gè)問(wèn)題：“什么樣的設(shè)計(jì)才是最理想的？”。我覺(jué)得，重要的是拋棄根據(jù)晦澀難懂的專(zhuān)業(yè)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)得出的成見(jiàn)，單刀直入地考慮問(wèn)題。
首先，我們來(lái)考慮“理想的散熱片”。理想的散熱片究竟應(yīng)該是什么形狀的？
為了提高熱傳導(dǎo)率，在氣流方向上長(zhǎng)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(kuò)散到產(chǎn)生氣流的整個(gè)區(qū)域。這與上一章介紹的“消除那些不做功而白白流過(guò)的空氣”這一目的相吻合。
在上一章，我們決定在首款PS3上采用離心式風(fēng)扇。讓我們按照這一理想，思考一下離心式風(fēng)扇中的理想散熱片形狀。
離心式風(fēng)扇呈放射狀地向所有方向進(jìn)行排氣。如果在這一氣流發(fā)生的整個(gè)區(qū)域薄薄地配置上散熱片的話……。那就會(huì)形成像面包圈一樣的形狀。
“對(duì)離心式風(fēng)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(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出了PS3的散熱片。
接下來(lái)，讓我們來(lái)確定散熱片設(shè)計(jì)的前提條件吧。
首先是流速。根據(jù)裝置整體熱收支的計(jì)算，風(fēng)扇的性能指標(biāo)被確定下來(lái)。根據(jù)該數(shù)值可以計(jì)算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時(shí)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(fēng)扇相同，內(nèi)徑也與風(fēng)扇相同。氣流方向的長(zhǎng)度暫且假設(shè)為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200mm。材質(zhì)為純鋁，翼片的板厚暫且假設(shè)為0.5mm。
與溫度相關(guān)的條件也必不可少。假定芯片表面的容許溫度為80℃時(shí)，翼片的根部溫度會(huì)低幾度，因此，我們預(yù)先假設(shè)為75℃。另外，流入散熱片的空氣溫度方面，我們?cè)O(shè)定得比40℃的環(huán)境溫度高一些。這是因?yàn)椋諝鈴奈鼩饪谶M(jìn)來(lái)之后，先對(duì)產(chǎn)品內(nèi)的各部位進(jìn)行冷卻，然后才會(huì)到達(dá)散熱片。因此，暫且定為50℃。
最后是熱處理能力。PS3的散熱片負(fù)責(zé)冷卻“Cell”及“RSX”這兩個(gè)LSI。在此，我們將其合在一起作為1個(gè)芯片進(jìn)行計(jì)算。雖然Cell及RSX的耗電量沒(méi)有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計(jì)200W。
利用以上條件，就可以通過(guò)前面列舉的計(jì)算式來(lái)計(jì)算“需要幾枚翼片”。
因?yàn)橐砥某叽鐬?0mm×30mm，所以，熱傳導(dǎo)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(shí)）。
翼片效率為88％，因此，實(shí)際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說(shuō)，要想散發(fā)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?yàn)閷?shí)際裝置中還要配置其他部件，所以肯定不能向整個(gè)圓周方向進(jìn)行排氣。如果假定向整個(gè)圓周的70％進(jìn)行排氣，則翼片的間距約為2mm。
綜上所述，首先通過(guò)簡(jiǎn)單的手工計(jì)算進(jìn)行粗略的設(shè)計(jì)。然后，再結(jié)合商品的性能對(duì)數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)更新“暫定”的數(shù)值，從而逐步推敲出一份最佳設(shè)計(jì)。如果利用表計(jì)算軟件等，上述計(jì)算將會(huì)十分輕松。
下面，以首款PS3為例，介紹一下，實(shí)際開(kāi)發(fā)的散熱片的詳情。
首先，是散熱片的基礎(chǔ)部分。在剛才的計(jì)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(shè)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?xún)?nèi)的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個(gè)基礎(chǔ)部分。為此，PS3采用了導(dǎo)熱管（Heat Pipe）。
所謂的導(dǎo)熱管，是一種可傳輸熱量的銅制導(dǎo)管。兩端通過(guò)焊接進(jìn)行了密封，內(nèi)部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都聽(tīng)過(guò)這樣一個(gè)說(shuō)法，如果在富士山的頂上燒開(kāi)水，不到90℃
就會(huì)沸騰。而導(dǎo)熱管內(nèi)部的水，由于在接近真空的環(huán)境下，所以在人體溫的溫度下就會(huì)沸騰。熱源的熱量借助因沸騰而比平時(shí)高出數(shù)倍的熱傳導(dǎo)率轉(zhuǎn)移給了水蒸汽，這些水蒸汽在導(dǎo)管中溫度較低的部分散熱，變回液體的水。通過(guò)重復(fù)這一過(guò)程，導(dǎo)熱管變得整體幾乎沒(méi)有了溫度差。就是說(shuō)，成了一個(gè)“熱傳導(dǎo)率接近于無(wú)限大的棒狀物體”。
（未完待續(xù)）
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2.本文意圖是為了向大家解說(shuō)SONYPS3散熱設(shè)計(jì)過(guò)程，但其中大篇幅介紹了熱處理基礎(chǔ)與各種散熱處理方法及其收益，并輔以少量公式計(jì)算，同時(shí)還向讀者展示了散熱設(shè)計(jì)的實(shí)例（既包括整體散熱設(shè)計(jì)也包括了部件散熱設(shè)計(jì)）。比較適合熱設(shè)計(jì)初學(xué)者學(xué)習(xí)。
感謝閱讀
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