【熱設(shè)計(jì)講座】常用詞匯和三種傳熱方式

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1、【熱設(shè)計(jì)講座】（一）常用詞匯和三種傳熱方式熱設(shè)計(jì)是設(shè)備開(kāi)發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)。本連載將為大家講解熱設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)詞匯，然后結(jié)合習(xí)題，學(xué)習(xí)三種傳熱方式及各種方式的作用，以及能夠簡(jiǎn)化散熱措施相關(guān)計(jì)算的“熱歐姆定律”等。????????關(guān)于“熱”，最重要的定律是“能守恒定律”，因?yàn)闊嵋彩且环N能量。熱能出現(xiàn)后不會(huì)消失，只能轉(zhuǎn)移到其他物體或轉(zhuǎn)移成其他形式。也就是說(shuō)，制造散熱機(jī)構(gòu)的目的，就是想辦法讓熱盡快轉(zhuǎn)移。水會(huì)蒸發(fā)但是不會(huì)消失，與熱類似。下面就以水為例來(lái)解釋熱（圖1）。水從水龍頭中流出相當(dāng)于發(fā)熱，積存的水量（L）相當(dāng)于熱量（

2、J），水位（m）相當(dāng)于溫度（K或℃）。?圖1：用水打比方，思考熱的移動(dòng)從宏觀來(lái)看，熱是“能量的集合”，可以認(rèn)為與水相同。熱量的單位是“J（焦耳）”，溫度（相當(dāng)于水位）由單位時(shí)間產(chǎn)生的熱能及其移動(dòng)量決定，因此，熱計(jì)算中主要使用的公式是熱流量（J/s或W）。???????根據(jù)能量守恒定律，能量是守恒的，但溫度不守恒。守恒意味著加法成立，例如，1J熱量加上1J熱量等于2J熱量。但另一方面，就像容器改變大小后水位會(huì)發(fā)生變化一樣，溫度也會(huì)隨狀態(tài)改變，加法自然不成立。????????根據(jù)守恒守恒定律，熱能只能轉(zhuǎn)移，因此，要想

3、實(shí)現(xiàn)散熱，就必須要把熱釋放出去。如果水龍頭一直出水，容器（圖1中的水箱A）的水位就會(huì)一直上升，最終灌滿整個(gè)容器。而散熱措施的作用，就是防止水位上升。因此，我們通過(guò)用管道將水箱A與其他容器（圖1中的水箱B）連接的方法來(lái)放水。管道越粗，釋放到水箱B里的水就越多，A的水位也就越低。這種對(duì)管道的控制就是熱設(shè)計(jì)。?熱設(shè)計(jì)中的常用詞匯????電子產(chǎn)品中經(jīng)常會(huì)用到“熱阻”（K/W）這個(gè)詞。在圖1的示例中，連接A和B的管道越細(xì)，水就越難流出，A和B之間的水位差也就越大。相反，加粗管道后，AB之間的水位差將會(huì)消失。這種阻礙水流動(dòng)的

4、作用就相當(dāng)于熱阻。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)熱流量為1W、溫度上升1K時(shí)，熱阻就是1K/W。在熱設(shè)計(jì)中，熱阻扮演著非常重要的角色。因?yàn)橹灰罒嶙?，就能?gòu)思出散熱措施，例如“如果要制造熱阻為5K/W的散熱片，尺寸大約會(huì)達(dá)到50mm×50mm×30mm”、“熱阻為0.1K/W、因此必須要有風(fēng)扇”等等。????????發(fā)熱量和散熱量也是熱設(shè)計(jì)的常用詞匯，但二者都屬于“熱流量”（W），表示1秒的時(shí)間中產(chǎn)生或轉(zhuǎn)移的熱量。????????“熱容量”（J/K）也是一個(gè)重要參數(shù)。熱容量相當(dāng)于圖1中水箱A的底面積。如果底面積大，即使加入大量的

5、水，水位也不容易上升。相反，如果底面積小，即使只加入少量的水，水位也會(huì)猛漲。熱也是如此，如果是熱容量大的大鐵塊，就算發(fā)熱量大，溫度也很難升高。相反，如果是熱容量小的小塑料容器，哪怕發(fā)熱量不大，溫度也會(huì)迅速升高。????????也就是說(shuō)，熱容量代表的是水位上漲1m需要注入多少L水，即使溫度升高1K需要多少J熱量。假設(shè)熱容量為1J/K，熱流量為1W。此時(shí)，1秒鐘將有1J的熱能流入；而每吸收1J的熱量，溫度會(huì)升高1K。因此，如果忽略熱量的流失，1秒的時(shí)間中溫度會(huì)升高1K。由此可知，只要知道了熱容量，就能推算出溫度的升降

6、。????????熱容量等于“比熱×重量”，計(jì)算非常簡(jiǎn)單（注1）。比熱是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，單位為J/kg·K（或J/kg·℃）。質(zhì)量則是體積×密度。比熱和密度都是物理性質(zhì)，可以在手冊(cè)中查到，而且，體積是由尺寸決定的，因此，只要知道材料和尺寸，就能計(jì)算出熱容量。至于印刷電路板等復(fù)合材料，在計(jì)算出各種材料的熱容量之后，相加即為總的熱容量。?（注1）熱阻的計(jì)算方式因熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射等熱移動(dòng)的方式而異，非常復(fù)雜。????????“熱流密度”（W/m2）在圖1中指的通過(guò)管道時(shí)熱流量的密度，也叫熱通量。通常來(lái)說(shuō)，通

7、過(guò)的熱量是發(fā)熱量，發(fā)熱量除以表面積即為熱流密度。因?yàn)榘l(fā)熱量代表發(fā)熱能力，表面積代表散熱能力，所以，熱流密度就相當(dāng)于發(fā)熱能力與散熱能力之比。因?yàn)槲矬w內(nèi)的熱量只能通過(guò)該物體與空氣接觸的面、也就是表面釋放，所以，在熱量通過(guò)的部分中，表面積是最重要的條件。????????熱流密度與溫度的上升量成正比，熱流密度越大，溫度上升越多。反言之，通過(guò)管理熱流密度，可以使溫度控制在一定水平以下。例如，在印刷電路板上安裝部件時(shí)，熱流密度等于部件的總發(fā)熱量除以印刷電路板的總表面積。如果采用自然空冷，一般來(lái)說(shuō)，熱流密度達(dá)到400W/m2以

8、上就容易發(fā)生故障，因此要控制在300W/m2左右。如上所述，通過(guò)計(jì)算熱流密度，可以實(shí)現(xiàn)安全的設(shè)計(jì)。因此，在分割電路板時(shí)，要盡量考慮到熱流密度，做到均勻分割。而且，不只是整塊電路板，對(duì)于每一個(gè)部分也要遵循這樣的思路。假設(shè)整塊電路板的熱流量為5W，如果把2W和1W的部件集中在一起，這一部分的熱流密度就會(huì)增加，導(dǎo)致散熱效率降低。????????通過(guò)像這樣綜合管理整體和單獨(dú)的熱流