1、热设计讲座常用词汇和三种传热方式【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
2、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
3、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50mm50mm30mm”、“热阻为0.1K/W、因此必须要有风
4、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
5、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/kgK（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
6、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
7、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
8、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，
9、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”
10、登场的时候了，具体内容将在下次介绍。】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
11、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） 温差（K（）= 阻热能力（K/W）
12、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
13、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
14、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
15、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23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8090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，
16、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
17、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）【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50mm50mm50mm（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100mm100mm100mm。发热量为100W时，该立方块的状态符合下列哪一项？（1）升温约为60（2）升温远超60（3）升温低于60下面就来详细分析一下。发热体的散热能力基本取决于表面积。体积为125mL的立方体有6个50mm50mm的面。因为热量只能从表面释放
18、，所以，表示热量以何种程度从表面释放出来的表面热密度（热流密度，W/m2），就等于发热量12.5W除以表面积。边长加倍后，立方体的体积将是过去的8倍。因为此时的发热量也扩大到了8倍，单位体积的发热密度相同。但热量只能从表面释放。虽然大立方体的体积相当于8个小立方体，但面积只是过去的4倍。体积增至8倍，表面积却只增加到4倍，表面的热密度也就达到了过去的2倍。因此，答案是（2）。热密度与升温基本成正比，大致推算，升温即使没有倍增到120，估计也超过了100。将这个结果带入到电池的话，小单元独立设置是最佳选择。虽然也可以多个排列，但是，如果让许多个小单元组成1个整体，表面积就会减少，必须要通过在单元
19、之间设置通风缝隙等方式进行散热。也就是说，从散热措施的角度出发，组合成整体的做法行不通。多层材料的散热措施（1）再来看看尺寸为20mm20mm，由A、B、C三层组成的材料（图6）。假设上层的发热为10W，底层使用水冷和散热片冷却，温度保持在20。三层的厚度各不相同，分别是A层2mm，B层1mm，C层3mm。各层使用的材料也不同，热导率分别为A层15W/（mK），B层0.3W/（mK），C层40W/（mK）。图6：多层材料的散热措施（1）采用层状结构的材料的上层（20mm20mm）发热为10W。底层维持20恒温。思考这种状态下的散热措施。如果保持这个状态，上层的温度将达到100左右。在下列三种方
20、案中，哪一种对降低温度最为有效？（1）将最厚的C层的厚度减半（2）使热导率最差的B层的热导率加倍（3）将A层厚度减半、热导率加倍这个问题可以通过定量计算求解。计算使用的是传导热阻、热阻串联法则、热欧姆定律。首先来看A、B、C各层的热阻。热阻可以通过长度、截面积和热导率求出。在这个例子中，厚度就相当于长度。层状排列也就是串联排列，三个热阻相加即为总热阻。只要知道热阻，根据热欧姆定律，热阻（阻热能力）乘以流经的热流量10W，即为温差。下面就让我们来实际动手算一算。先求热阻。用厚度除以导热率和截面积。A层的热阻：0.002/（150.020.02）=0.3333K/WB层的热阻：0.001/（0.3
21、0.020.02）=8.333K/WC层的热阻：0.003/（400.020.02）=0.1875K/W从结果可以看出，B层的热阻明显大于其他两层。电子产品也存在这样的现象，绝缘层的热阻往往最大。接下来，使用串联法则，把A层、B层、C层的热阻相加。总热阻：0.3333+8.333+0.1875=8.854K/W其中，虽然只有B层的热阻达到了8.333，但在串联状态下，热阻最大的部分将提升整体的热阻值。下面要使用热欧姆定律。因为8.854K/W的总热阻流经的热流量为10W，所以温差为：8.85410=88.5K由于底层的温度恒定在20，因此温度为：88.5+20=108.5温度相当之高。再回头看
22、看前面给出的三个方案。（1）C层厚度减半后，热阻将达到0.09K/W，温度降低0.9K（2）B层导热率加倍后，热阻为4.2K/W，温度降低42K（3）A层厚度减半、导热率加倍后，热阻为0.083K/W，温度降低2.5K由此可知，方案（2）最有效。这是一个非常重要的提示。如果散热路径串联，热阻最大的地方将阻碍散热，如果不对这里采取措施就起不到什么作用。在这个例子中，即使对A层和C层采取措施，也基本没有效果。而解决的方法只有三个：增加截面积、缩小厚度、提高热导率。但实际操作却并非易事。要想提高热导率，一般来说材料成本也会提高。缩小厚度会导致绝缘耐压和耐久性降低。而增加截面积则存在构造上的困难。多层
23、材料的散热措施（2）下面，笔者再用相同的例子，介绍另一个方案在中央穿孔、插入热导体的上下旁路法（图7）。图7：多层材料的散热措施（2）在图6的多层板中央穿孔，填充高导热率的材料D（直径5mm）。思考这种状态下的散热措施。这样一来，热阻除了串联，又增加了并联。因此需要进行串并联计算。旁路部分D的导热率相当高，达到了180W/（mK），希望进一步降低温度的话，下列三个方案哪个最有效？（1）B层导热率加倍（2）B层厚度减至1/3（3）D部分导热率加倍首先来计算D部分的热阻。D部分的截面积：0.0052/4=1.96310-5m2D部分的长度：0.006mD部分的热导率：180W/（mK）D部分的热阻
24、：0.006/（1801.96310-5）=1.698K/W除了之前计算的A、B、C层串联构成8.854K/W的热阻以外，热量还会传递到D部分。串联时，热量会停留在不易移动的地方，而并联时，热量会向容易移动的地方转移。接下来计算串并联的总热阻，A、B、C层的串联热阻与D部分热阻并联。A、B、C层的串联热阻不直接使用根据图6计算的数值（8.854K/W），而是要根据设置D部分后各层面积的减少，重新计算。考虑到A、B、C各层面积的减少，A、B、C层的热阻如下：8.854（0.020.02）/（0.020.02-1.96310-5）=9.311K/W接下来，把这个数值与D部分的热阻并联。1/9.31
25、1+1/1.698=0.6963W/K1/0.6963=1.436K/W然后，再根据热欧姆定律，计算上下的温差。与基准温度面（20）相比，发热面的升温为：1.43610=14.36K因此，发热面的温度为：14.36+20=34.4把数值代入前面的方案。（1）B层导热率加倍后，温度降低1.7K（2）B层厚度减至1/3后，温度降低3K（3）D部分导热率加倍后，温度降低6.6K由此可知，在这种情况下，降低温度要靠热阻小的部分。正确答案是（3）。下一次，笔者将带领大家深入研究基于热对流的热移动。热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具
26、有消除个体内温差的效果。而本篇开始介绍的对流，则具有降低平均温度的效果。加热器释放出的热能首先会通过热传导发散到空气中。具体来说，就是加热器表面的空气附着于固体表面，在空气的分子之间通过振动传播热量。远离壁面的分子渐渐获得自由运动的能力，使得温热的空气团发生移动。这种现象中，热传导再加上具有热量的物质的移动，就被称作“对流”（图1）。也就是说，对流是一种复合现象（注1）。图1：对流的原理对流的原理是，首先通过热传导从发热体获得热能（图中（1），然后，携带热能的流体发生移动（图中（2）。对流是热传导加上物质移动的复合热移动现象。（注1）艾萨克牛顿在推导冷却定律时提出了对流的概念。在思考对流这种传
27、热方式时，会用到“对流传热系数”。对流传热系数表示对流传热的难易程度，虽然听上去与“导热系数”很像，但二者却是完全不同的概念。物质的导热系数可以通过文献等资料查到，而传热系数是状态值，其数值因物质的状态而异，并不唯一。能够得到的，只有推导传热系数的公式，需要自己根据公式计算。了解热边界层散热的能力对流传热系数源于“热边界层”理论。例如，把发热板放置在空气中，热能将通过热传导传播到空气中，越靠近发热板，空气的温度越高，越远温度越低（图2）。空气受热后体积膨胀，密度降低，浮力增大。因此，空气会自下向上流动（注2）。因为下方不断有冷空气补充，所以下方的热空气会越来越少，热空气逐渐在上方囤积，使空气层
28、不断变厚。而这种热空气层，就是热边界层（也叫温度边界层）。图2：发热体周围出现的热边界层存在温差的固体与流体的边界存在“热边界层”。要想提高散热效果，可以缩小热边界层的厚度，或是扰乱热边界层。（注2）无重力状态下没有浮力，空气不会发生流动，只会形成温差。热边界层虽然肉眼看不到，但利用热电偶检测温度，就能确定热边界层的存在。热边界层的内侧是温度变化的场所，而在其外侧，温度将趋于固定。在进行热流体解析模拟时，这一点要重点关注。用何种程度的网眼来表现边界层，决定着解析的精度。在热边界层的外侧，网眼即使很小，对于精度也没有太大影响。这是因为热边界层外侧流体的流速和温度的变化很小。如果热边界层较厚，热空气进入冷环境的距离就会变长。也就是说，热边界层越厚，热能就越不容易释放。因此，对流传热系数
