【正文】 高 .如此 ,懂了嗎 ? 熱輻射 所以熱輻射的定義是如果物體本身 是一個(gè)好的輻射散熱體 ,那相對(duì)的它也絕對(duì)會(huì)是一個(gè)好的輻射吸熱體 ,這吸熱與散熱就端看物體表面本身的溫度與周圍或另外一個(gè)物體表面的溫度是高是低 .若是高 ,則熱便會(huì)藉由熱輻射散出去 ,反之熱就會(huì)被吸收進(jìn)來 .而通常在熱對(duì)流效應(yīng)相對(duì)很強(qiáng)的情況下 (尤其是裝風(fēng)扇的 CPU Cooler),熱輻射量相對(duì)就有限 ,它與之前所說的熱對(duì)流散熱效應(yīng)比較起來 ,幾乎是可忽略的一環(huán) .但是 ,反過來說 ,像部份芯片的被動(dòng)式散熱片 (Chipset Heat sink),它的熱對(duì)流散熱效應(yīng)較不明顯 ,反而會(huì)使得熱輻射散熱效應(yīng)相對(duì)提高 ,有時(shí)甚至?xí)汲^ 30%的 總散熱量 . 這兒之所以我們稱它散熱的原因 ,就是因?yàn)槲覀兯劦纳崞际茄b附于熱源上 ,通常它的溫度都會(huì)比周圍環(huán)境溫度要高出許多 . 而至于絕熱呢 ?我想我也提出一些問題讓各位想一想 ,保溫瓶?jī)?nèi)為什么要用絕熱體包附水銀膽呢 ?給您一個(gè)提示 ~亮面如鏡的水銀膽反射率可是非常高的喔 .那像衛(wèi)星呢 ?沒有大氣層的水及空氣保護(hù)吸收太陽的輻射熱 ,不會(huì)有過熱的問題嗎 ?衛(wèi)星上一樣有高精密的電子組件 ,耶 !重點(diǎn)就在于衛(wèi)星面向太陽的表面有一層反射率非常高的披覆層保護(hù)著 ,讓太陽的熱輻射量 ,除了太陽能板之外 ,幾乎全部反射回去 ,以減少熱輻射量 的穿透跟吸收 . 各位聰明的看官 ,說到這兒 ,您認(rèn)為是吸熱 ,散熱 ,還是絕熱重要呢 ?您是否對(duì) 熱 這個(gè)現(xiàn)象已有初步的概念了呢 ?別著急 ,將來有一天你也會(huì)跟筆者一樣對(duì)它又愛又恨的呢 !話又說回來 ,吸熱 ,散熱 ,絕熱其實(shí)各有所長(zhǎng) ,也各有其應(yīng)用于熱的時(shí)機(jī) ,端看您的應(yīng)用領(lǐng)域而有所區(qū)別 ,其實(shí) ,大部份時(shí)候它們還是相互交會(huì)運(yùn)用的機(jī)會(huì)較大呢 ! 好 ,我假設(shè)各位對(duì)所謂的熱傳遞形式熱傳導(dǎo) (Conduction),熱對(duì)流(Convection)，熱輻射 (Radiation)都有了初步的認(rèn)識(shí) ,讓我?guī)透魑徽硪幌滤季w ,把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回到 CPU Cooler 的基本架構(gòu)上 ,一塊一塊的剖開來定義清楚 ,現(xiàn)在讓我們進(jìn)入到下面的這張圖片去 : (1) 風(fēng)扇 :熱對(duì)流組件 ,功能上就在于驅(qū)動(dòng)空氣灌入下方的散熱片中 ,利用新鮮且大流量的冷空氣灌入 ,并加上風(fēng)扇本身驅(qū)動(dòng)流場(chǎng)的甩動(dòng)特性 ,提高了之前所提到過的熱對(duì)流系數(shù)值 (Hest Transfer Coefficient).藉此提高 熱對(duì)流的散熱效果 .其所占散熱的比例份量最重 ,算是散熱界當(dāng)紅的炸子雞 . (2) 扣具 :嚴(yán)格說 ,它算是機(jī)構(gòu)組件 ,不是散熱組件 .主要是將散熱片扣合在 CPU的表面上 ,但研究發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)散熱片底板與熱源接觸面受力越大 ,則固體表面間的接觸熱阻抗越小 ,所以 ,扣具的研發(fā) ,也慢慢轉(zhuǎn)型為針對(duì)散熱片受力均勻性為重點(diǎn) .既然牽涉到接觸阻抗 ,那就牽涉到散熱片底部的吸熱能力 ,所以 ,扣具也算是半個(gè)熱傳導(dǎo)組件 . (3) 散熱片 (鰭片部份 ):我們細(xì)分這個(gè)部份 ,它算是連接 (吸熱 )熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流及熱輻射 (散熱 )的最重要管道 ,因?yàn)樯岬娜笞罨緱l件就 是 面積 ,面積 ,面積 ,讀者可參詳 Part2 與 Part3的內(nèi)容公式便知 ,這散熱片的技術(shù)與工藝主要就在這兒 ,其次 ,表面陽極處理也是一個(gè)非常重要的工藝 ,它不僅僅是設(shè)計(jì)上的美觀 ,更牽涉到輻射熱交換量的多寡 ,所以 ,鰭片設(shè)計(jì)的好壞 ,直接決定了產(chǎn)品的生死 .當(dāng)然各種不同的機(jī)械加工產(chǎn)品各有其設(shè)計(jì)上的考量 (有的是以吸熱為主 。不斷的膨脹車流量 ,下場(chǎng)是道路越來越窄 ,而車子越來越多 ,不踩煞車 ,能不出車禍嗎 ?當(dāng)然熱量越來越高 .信不信 ,冷颼颼的冬天 ,關(guān)在房里打計(jì)算機(jī) ,你會(huì)愛死它 ,又有得殺時(shí)間 ,又暖和 !只是不 巧 ,炎炎夏日又悄悄的接近了 ?? 傳熱 (Heat Transfer):既然說熱是一種傳遞能量的形式 .那就不能不談傳遞的方法了 .總的來說整個(gè)大自然界能量傳遞的方式被我們聰明的老祖先 (請(qǐng)記住 .熱力學(xué) Thermal Dynamic是古典力學(xué)的一種 !)概分為三種 ,接下來我用最淺顯易懂的方式分別介紹這門神功的三大基本奧義讓各位知道 : 1.)熱傳導(dǎo) (Conduction) 物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時(shí) ,能量傳遞的最基本形式 (這里所說的物質(zhì)包括氣體 ,液體 ,與固體 ).當(dāng)然氣體與液體 (我們統(tǒng)稱為流體 )本身因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不 似固體緊密 .我們又有另外一個(gè)專有名詞來形容它 ,叫做熱擴(kuò)散 (Diffusion).若諸位看官真有興趣的話 ,不妨把下面的公式熟記 ,對(duì)以后您專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成 ,抑或是將來更深入的技術(shù) ,探討彼此的溝通都非常有幫助 (這可是入門的第一招式 ,千萬別放棄您當(dāng)專業(yè)消費(fèi)者的權(quán)益了 !).另外 ,為了避免您一開始走火入魔 ,請(qǐng)容我先將所有的單位 (Unit)都拿掉 . Q = K*A*ΔT/ΔL 其中 Q為熱量 。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時(shí)，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒砻鏌岬尼尫?，使芯片工作在正常溫度范圍之內(nèi)。如下例： 風(fēng)速（英尺 /秒） 熱阻（ ℃ /W） 0 100 200 300 400 散熱 2 我用 7805 7810 如何計(jì)算散熱片尺寸？ 以 7805 為例說明問題。C/W 。由於決定功率損耗的參數(shù)參差不齊，與生產(chǎn)制造有關(guān)，受生產(chǎn)制造的影響很大，因而散熱器的設(shè)計(jì)往往由於無法預(yù)先知道功率損耗而無法進(jìn)行。 可以看到，由 SPICE內(nèi)的 MOSFET 模型，并不能以溫度結(jié)點(diǎn)的形式直接得到溫度。芯片溫度增高的平均值 ?Tjc(t)決定於 Pave(t)，再乘上 Zth(t)。 （ 1） 熱量衡算式 根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。傳熱可依靠其中一種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn)行，凈的熱流方向總是由高溫處向低溫處流動(dòng) 第三節(jié) 傳熱計(jì)算 間壁式傳熱是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳熱方式。 ２．完成同一傳熱任務(wù)。 熱阻中，重要的是兩側(cè)傳熱熱 阻，必須細(xì)心地考慮其強(qiáng)化措施。 （三）各特征數(shù)的物理意義 通過推導(dǎo)得到的特征數(shù)方程式含有四個(gè)量綱為一的數(shù)群。 1． 液體沸騰的過程 根據(jù)傳熱溫度的變化，液體沸騰傳 熱過程要經(jīng)歷如下四個(gè)階段： ① 自然對(duì)流階段 ② 泡核沸騰階段 ③ 膜狀沸騰階段 ④ 穩(wěn)定膜狀沸騰。一般而言，熱輻射出去的能量太小，所以可以忽略不計(jì)。 散 熱器底座厚薄 ? 熱阻的概念： 散熱器底座對(duì)於熱傳是否有影響 ? 有很多人會(huì)人為沒有。不過，筆者建議不要太過火了，因?yàn)檫@項(xiàng)工作只達(dá)成了熱傳導(dǎo)，卻達(dá)不成熱逸散。這也就是說可以不用考 慮這樣的影響。因?yàn)檫@跟成本有很大的關(guān)聯(lián)。但是一使用抽出氣體的方式來散熱，氣體的流動(dòng)性會(huì)變得相當(dāng)重要，因?yàn)槌槌鰵怏w會(huì)使得鰭片周圍變成負(fù)壓區(qū)，但是負(fù)壓區(qū)很小，造成能流體有在流動(dòng)的區(qū)域也相對(duì)的變小，假如沒有控制好流體的流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致底部的高溫區(qū)域得不到氣 體的流動(dòng)，這樣是得不償失的。再來，考慮材質(zhì)，因?yàn)檫@對(duì)於鰭片的效率有著相當(dāng)高程度的影響，這也是為什麼在高發(fā)熱晶片的世界裡，鋁製鰭片越來越難存活的原因。什麼是邊界層分離現(xiàn)象 ? 筆者想大家都有看過在河流裡面的樹枝，當(dāng)水流流速 達(dá)到一定程度時(shí)，樹枝的後半表面會(huì)開始形成一個(gè)渦流的現(xiàn)象 [不是背後，是表面 ]，而這個(gè)現(xiàn)象就是邊界層分離。但是這有幾個(gè)問題，是否一定只有高風(fēng)速才會(huì)對(duì)熱傳有絕對(duì)性的影響 ? 是否只有高頻噪音才會(huì)帶來高風(fēng)量 ? 風(fēng)量是不是可以毫無限制的提高 ? 的確，風(fēng)速對(duì)於熱傳的影響可以說接近絕對(duì)：在一定的速度之下。那壓力越大不就越好 ? 假如晶片可以承受，那就很完美，但是這世界卻不是這樣完美的。而長(zhǎng)條型鰭片跟圓柱型鰭片的差距，就是流體的流動(dòng)。風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣，流出熱 空氣，完成熱的散熱過程。在沸騰和冷凝時(shí)必然伴隨著流體的流動(dòng)，故沸騰和冷凝 傳熱同樣發(fā)生對(duì)流傳熱。 5． 傳熱面的形狀大小及位置 管板管束 等不同形狀的傳熱面，管徑管長(zhǎng)或板的高度，管子排列方式，水平或垂直旋轉(zhuǎn)等都影響 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。另外，在一定的條件下，采用逆流方法代替順流，也可提 高平均溫差。這幾 種情況下溫度沿傳熱面的變化如圖５－９所示。介紹的范圍以穩(wěn)定傳熱為限。 可以相信，這里提出的模型可以用於對(duì)器件的熱性能進(jìn)行全面的分析，從而改進(jìn)它的長(zhǎng)期可靠性。因此，平均功率損耗 Pave(tk) 是變化的，它代表從模擬仿真開始到時(shí)刻 tk 這段時(shí)間的功率損耗的平均值。作這個(gè)假定是合情合理的，因?yàn)樗矐B(tài)過程的延續(xù)時(shí)間比散熱時(shí)間常數(shù)短。本文提出的模型中所需要的熱阻可以從制造商提供的產(chǎn)品使用說明書得到。在一定外殼散熱條件下，電源模塊存在一定的溫升 (即殼溫與環(huán)境溫度的差異 )。 實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取 01℃ /W作為近似。s Constant ),既然跟頻率有關(guān) ,那好 ,頻率的大小依次是 Gamma 射線 ,X 射線 ,紫外線 ,可見光 ,紅外線 ,微波 ? 而熱輻射能量就介于紫外線與 紅外線之間 ,所以還算排行老三呢 ,但光是如此就讓你在 7 月中午的 太陽下站不住五分鐘了吧 !其實(shí)您還得感謝地球上有大氣層 ,空氣和水分子 ,這些介質(zhì)幫我們吸收掉了不少能量呢 ! 好 ,咱們?cè)倩氐街黝} ,既然不需要介質(zhì) ,那就得靠物體與物體表面的熱吸收性與放射性來決定熱交換量的多寡 .我們統(tǒng)稱為物體表面的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于 0~1 之間 ,是屬于物體的表面特性 ,有一點(diǎn)兒像熱傳導(dǎo)系數(shù) (Conductivity) 都屬于材料特性 .(其實(shí)吸收性 (率 )與放射性 (率 )是一樣的 ,我稍后解釋 .嚴(yán)格來說 ,物體表面的熱輻 射特性有三種 ,分別是吸收率 ,反射率和穿透率 .這三者加起來的值和為 1,像是玻璃 ,它的能量穿透性很強(qiáng) ,所以相對(duì)的吸收性與反射性便較弱 ).讓我們看一下它的公式吧 Q =e˙s˙F˙Δ(T4) Q 為物體表面熱幅熱的熱交換量 .我在這兒強(qiáng)調(diào)是熱交換量而不是帶走的熱量 .因?yàn)楣奖旧頎可娴絻蓚€(gè)表面在進(jìn)行輻射熱交換 ,當(dāng)假設(shè)其中一個(gè)表面不存在時(shí) ,則存在的表面便假設(shè)是與某一有限遠(yuǎn)的固定大氣溫度進(jìn)行熱交換 . e 物體表面的熱輻射系數(shù) (Emissivity),其值介于 0~1 之間 ,是屬于物體的表面材料特性 ,這一部分當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面 拋光如鏡時(shí) ,熱輻射系數(shù)只有約 ~ 而已 ,而當(dāng)金屬表面一但作處理后 (如表面陽極處理成各種顏色亦或噴漆 ,則熱輻射系數(shù)值立刻提升至 以上 ,如下圖所示當(dāng)散熱片表面處理成綠色后 ,熱輻射系數(shù)值立刻由 提升至 . 處理前 處理后 而塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部份超過 以上 ,s是波次曼常數(shù)*108 ,只是一個(gè)常數(shù) . F是里面最玄的一個(gè) ,洋文叫做 Exchange View Factor,中文應(yīng)該說成是輻射熱交換的視角關(guān)系 ,它其實(shí)是一個(gè)函數(shù) ,一個(gè)跟兩個(gè)表面所呈角度 ,面積 ,及熱輻射系數(shù)有關(guān)的函數(shù) .非常復(fù)雜 ,筆者在此不敢再寫下去 ,以免各位看官承受不住 . Δ (T4)最后這個(gè)算是最好說的 ,但也最 容易被一般剛?cè)虢哪贻p人弄錯(cuò)的 .它正確的寫法如筆者框紅線所示 ,是 (Ta4 Tb4)而不是 (Ta Tb) 4,.這其中 Ta 是表面 a 的溫度而 Tb是表面 b的溫度。就是熱傳導(dǎo)所能帶走的熱量 . K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)值 (Conductivity)。 通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。 設(shè) I=350mA， Vin=12V，則耗散功率 Pd=(12V5V)*= 按照 TO220 封裝的熱阻 θJA=54℃/W ，溫升是 132℃ ，設(shè)室