热设计讲座.docx

热设计讲座.docx

《热设计讲座.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热设计讲座.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

热设计讲座

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C）。

注水量二发热量（W=J/s）

|水箱B|

积蓄的热能

周围空T

（域G

热流量（W）谎动的热能

热容量（J/K）

管路砂二

Ma（K/w）

升温1K需要的热豐

阻感能力，锂

T表示散热性能

热流（W/m2）

谓过的热潦密度〒热巒度増加见温

庫升高

图1:

用水打比方，思考热的移动

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50mmx50mmx

30mm”、“热阻为0.1K/W、因此必须要有风扇”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x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/kg•K（或J/kg・C）。

质量则是体积x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。

物质运动

转林力好面砂吹专热军

•4

■热朗

嬴子和分子内部

能■的传播

传热导热事貨戦面积腿力传

晶幡推动的传播

•**"•

自电电子的移功

«ism祛低温检体

*JC・.IT*ff*

耳于便的協移

q济体移动导J：

基于删甑的热移迩

传船能力=＞倔职瓦IH仲宰

t*'■-4F*»*

-W-F-

图2:

微观的热移动

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，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”登场的时候了，具体内容将在下次介绍。

（二）热欧姆定律及三种传热方式在散热中的作用

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。

表】势能与漁t昭佰的关糜

鮭P

流・Q

臓■（W）

沁（K/W）

M（V）'

电an|

压力tPa）

和5体）

流体眼力（PaS2/mf）

热欧姆定律有两个表达式（注3）。

（注3）温度的常用单位是'C,但国际单位制推荐使用K（开尔文）。

热流量（W）=传热能力（W/K）X温差（K（C））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（C））=阻热能力（K/W）X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。

井联怯则

P►

•

皑＜总號阴）

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）。

■济尊有助于温度的均匀化

斑传粵具有消除［S悴逗蓋的作用・面体出现磁时|可以通过S知

旷.超士;f曰屋.如與没冉爲汙.旦吐均匀…祸导无注

实鑑降込传热僅力取决于传热面积，传艇亂导热率

I

〜二二厂广bp

WW►

//1\槪射\

■VTVf<

■凱对谎育助于期氐平均温度

熬对流具有活化回盛旨空灯之阖的热交换r降低”平均温度”的作用.只能控制裘面积与悟热率

■嗣射猶对流的辅助柞用

在自然將対说的慵規下ma粗中忍対寂占輿幻,斛绥村仅占

20%左右.只能酬区面积与耀射串

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2〜3C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80〜90C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。

ami

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，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X热导率/长度）X（T1-T2）

截面积X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，所以只要把分母与分子对调，就能求出热阻。

热阻=长度/（截面积X热导率）

（3）热设计实战练习

【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50mmX50mmX50mm（体积125mL）、内嵌发热体的立方体。

发热量为12.5W时，立方体升温60C。

接着，再用相同材料制作一个更大的立方体，尺寸为100mmX100mmX100mm。

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60C

（2）升温远超60C

（3）升温低于60C

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50mmx50mm的面。

因为热量只能从表面释放，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120C,

估计也超过了100C。

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20mmx20mm，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20C。

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/（m•K）,B层0.3W/（m•K）,C层40W/（m•K）。

匚20mm協截曲（10W）

/

flfh

ImmfB開~|

2mm

Aft

BS03计⑴K

：

40W/{m*K）

10W

3mm

图6:

多层材料的散热措施

（1）

采用层状结构的材料的上层（20mmx20mm）发热为10W。

底层维持20C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100C左右。

在下列三种方案中，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/（15X0.02X0.02）=0.3333K/W

B层的热阻：

0.001/（0.3X0.02X0.02）=8.333K/W

C层的热阻：

0.003/（40X0.02X0.02）=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:

8.854X0=88.5K

由于底层的温度恒定在20C，因此温度为：

88.5+20=108.5C温度相当之高。

再回头看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/（m•K），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：

0.0052Xn/4=1.963X10-5m2,D部分的长度：

0.006m,D部分的热导率：

180W/（m•K）,D部分的热阻：

0.006/（180X1.963X10-5）=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：

8.854X（0.02X0.02）/（0.02X0.02-1.963X10-5）=9.311K/W

接下来，把这个数值与D部分的热阻并联。

1/9.311+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（20C）相比，发热面的升

温为：

1.436XI0=14.36K

因此，发热面的温度为：

14.36+20=34.4C

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）。

（四）热对流散热原理及相关公式

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一一传热着手，介绍

基本的热设计方法。

前面介绍的热传导具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）°

曲滋悬•松传号+梅展移动"的賀合瞬动规象（按眸）

体的移动会is进鈕.anil沒有洲*的涼动M费成"釣传导*

岀了

空％

（2）拥有瘢

■乂删辭r代農对読传需的駅度.传糜敬为状态値

（叮柿导

（2）动

甸咖J

2）热辐射

（2翊了JK

对;舟颱民就能

有了

（1）+

（2）=

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

2）。

空气受热后体

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,

使空气层不断变厚。

而这

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（图积膨胀，密度降低，浮力增大。

因此，空气会自下向上