1、今天玩家堂給大家?guī)硪黄盗形恼聼嵩O(shè)計基礎(chǔ)。文章標題看似很唬人，其實內(nèi)容非常淺顯易懂，圖文并茂（當(dāng)然前提是你要認真讀）。本文為索尼計算機娛樂設(shè)計公司2部5課，課長鳳康宏撰寫。雖然作者的意圖是為了向大家解說SONY PS3散熱設(shè)計過程，但是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，并輔以少量公式計算，同時還向讀者展示了散熱設(shè)計的實例（既包括整體散熱設(shè)計也包括了部件散熱設(shè)計）。文中作者力圖向大家闡述如何把復(fù)雜的問題簡單化，并轉(zhuǎn)化為我們所熟知的經(jīng)驗。這其中作者向我們介紹了在散熱處理上風(fēng)扇的選擇（哪些參數(shù)才是決定性的，如何看參數(shù)等等內(nèi)容）、風(fēng)道的處理等一系列基礎(chǔ)問題，文章中涉及的很多基礎(chǔ)性

2、質(zhì)與定理性質(zhì)的內(nèi)容完全可以用到機箱散熱、CPU散熱，甚至是電源散熱上，可以說這一系列文章可以作為DIY玩家的參考資料也不為過。文章目錄：第一章 熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律第二章 風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定第三章 散熱片設(shè)計的基礎(chǔ)是手工計算第四章 根據(jù)部件的熱性能考慮空氣流動和配置第五章 新款PS3的薄型化，要求重新設(shè)計冷卻機構(gòu)（上）第六章 新款PS3的薄型化，要求重新設(shè)計冷卻機構(gòu)（下）內(nèi)容簡介：其中第一章是通篇的基礎(chǔ)，為下面各章節(jié)的出發(fā)點；第二、第三章則分別介紹了散熱處理需要敲定的兩個部件；第四章則是如何規(guī)劃整個散熱系統(tǒng)；第五、第六章則是介紹這些原理與散熱經(jīng)驗是如何在PS3散熱器上得以

3、體現(xiàn)。在開發(fā)使用電能的電子設(shè)備時，免不了與熱打交道?！霸囍颇钞a(chǎn)品后，卻發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱超乎預(yù)料，而且利用各種冷卻方法都無法冷卻”，估計很多讀者都會有這樣的經(jīng)歷。如果參與產(chǎn)品開發(fā)的人員在熱設(shè)計方面能夠有共識，便可避免這一問題。下面舉例介紹一下非專業(yè)人士應(yīng)該知道的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識。在大家的印象里，什么是“熱設(shè)計”呢？是否認為像下圖一樣，是“一個接著一個采取對策”的工作呢？其實，那并不能稱為是“熱設(shè)計”，而僅僅是“熱對策”，實際上是為在因熱產(chǎn)生問題之后，為解決問題而采取的措施。 如果能夠依靠這些對策解決問題，那也罷了。但是，如果在產(chǎn)品設(shè)計的階段，其思路存在不合理的地方，無論如何都無法冷卻，那么，很可能會出

4、現(xiàn)不得不重新進行設(shè)計的最糟糕的局面。 而這種局面，如果能在最初簡單地估算一下，便可避免發(fā)生。這就是“熱設(shè)計”。正如“設(shè)計”本身的含義，是根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)來構(gòu)想應(yīng)采用何種構(gòu)造，然后制定方案。也可稱之為估計“大致熱量”的作業(yè)。 雖說如此，但這其實并非什么高深的話題。如果讀一下這篇連載，學(xué)習(xí)幾個“基礎(chǔ)知識”，制作簡單的數(shù)據(jù)表格，便可制作出能適用于各種情況的計算書，甚至無需專業(yè)的理科知識。 第1章從“什么是熱”這一話題開始介紹。大家可能會想“那接下來呢”？不過現(xiàn)在想問大家一個問題。熱的單位是什么？ 如果你的回答是“”，那么希望你能讀一下本文。 熱是能量的形態(tài)之一。與動能、電能及位能等一樣，也存在熱能。

5、熱能的單位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物體移動1m，使1g的水溫度升高0.24。 設(shè)備會持續(xù)發(fā)熱。像這樣，熱量連續(xù)不斷流動時，估計用“每秒的熱能量”來表示會更容易理解。單位為“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。 不只是熱量，所有能量都不會突然生成，也不會突然消失。它們不是傳遞到其他物質(zhì)就是轉(zhuǎn)換為其他形態(tài)的能量。 比如，100J的能量可在100N力的作用下將物體移動1m。使該“物體移動”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物體時，能量會以位能的形態(tài)保存在物體中。使用能量使物體加速運動時，則以動能的形態(tài)保存在物體中。 100J的能量可使100g水的溫度升高約0

6、.24。這并不是通過升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來。 如上所述，能量無論在何處都一定會以某種形態(tài)保存起來。能量既不會憑空消失，也絕不會憑空產(chǎn)生。這就是最重要“能量守恒定律”。 現(xiàn)在大家已經(jīng)知道熱是一種能量，其單位用J表示了吧！能量會流動，如果表示每秒的能量，單位則為W。 那么讓我們回到最初提出的那個問題。是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過是根據(jù)能量的多少表現(xiàn)出來的一種現(xiàn)象。即使能量相同，如果集中在一個狹窄的空間內(nèi)，溫度就會升高，而大范圍分散時，溫度就會降低。 PS3等電器產(chǎn)品也完全遵守能量守恒定律。從電源插頭流入的電能會在產(chǎn)品內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能，然

7、后只會向周圍的物體及空氣傳遞。 接通電源后一段時間內(nèi)，多半轉(zhuǎn)換的熱能會被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量僅為少數(shù)。之后，裝置溫度升高一定程度時，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會無止境上升。 很多人會認為，“熱設(shè)計是指設(shè)計一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機構(gòu)”。 就像前面指出的那樣，說是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產(chǎn)生熱能。說是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。 如圖所示,熱設(shè)計是指設(shè)計一種“將W的能量完全向外部轉(zhuǎn)移的機構(gòu)”，其結(jié)果是可達到“以下”。大家首先要有一個正確的認識！ 下面看一下熱傳遞的方式。 熱能傳遞只有3種方式。分別為“傳導(dǎo)”、“對流”及“熱輻射”。請注意，傳導(dǎo)與對

8、流表面文字相似，但絕不相同！ 傳導(dǎo)是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。鋁和鐵的導(dǎo)熱性都很出色。這就是傳導(dǎo)。 如果用數(shù)值表示導(dǎo)熱性，樹脂為0.20.3，鐵為49，鋁為228，銅為386。這些都是指該物質(zhì)的導(dǎo)熱率，單位為“W/（m）”。越容易導(dǎo)熱的物質(zhì)，該數(shù)值越大。 如果用一句話來表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1時，會流動多少W”。如果將其單位“W/（m）”寫成 大家是不是立刻就明白了呢？ 對流是指熱能通過與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請大家聯(lián)想一下吃熱拉面時的情景。用嘴吹一下，拉面就會變涼。那就是利用熱對流使熱從拉面表面向吹出的空氣

9、傳遞的結(jié)果。 這也可用數(shù)值表示。比如，流體為水，散熱面水平放置時，自然對流就為（2.35.8）100，受迫對流就為（1.25.8）1000，水沸騰時就為（1.22.3）10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2）”。 這個單位很容易理解。由于是“W/（面積溫度差）”，因此它的意思就是“面積為1平方米的面與周圍流體的溫度差為1時，會從該面?zhèn)鬟f多少W熱量”。 該傳熱系數(shù)受散熱面設(shè)置狀況的影響較大。根據(jù)流體的種類、流速及流動方向等，數(shù)值會發(fā)生變化。因此，計算傳熱系數(shù)的公式會根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。 比如，有一個溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動空氣時（受迫對流），可用左圖的

10、公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點。 1、傳熱系數(shù)與流速的平方根成比例 。比如： 流速提高至2倍，傳熱系數(shù)也只提高至1.4倍2、如果冷卻面積相同，流動的距離越長，傳熱系數(shù)越低。比如：在冷卻面上流動的空氣吸熱后，會在溫度上升的同時繼續(xù)流動，因此冷卻能力會越來越弱 總之，冷卻熱的物體時，與使用強風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴大散熱面，使整體通風(fēng)的方法更有效。 下面介紹一下自然對流的情況?？諝庾匀粚α鲿r的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。 這里出現(xiàn)兩個新詞，分別為“姿勢系數(shù)”和“代表長度”。這些是根據(jù)面的形狀及設(shè)置方向定義的。右圖分別顯示了垂直和水平設(shè)置平板時的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢系數(shù)及代

11、表長度。 輻射是指經(jīng)由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式。被電爐發(fā)出的紅外線照射后，會感到溫暖。這就是熱輻射。太陽的熱量穿過真空宇宙到達地球，這也屬于輻射。 輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸放，而白色較難。 如果用數(shù)值來表示，其數(shù)值范圍為01。理論上來講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.050.5，鐵為0.60.9，黑色樹脂為0.80.9。這就是熱輻射率（沒有單位）。 此處公開的公式是一個近似式，用于計算設(shè)置在空氣中的物體向周圍的空氣進行輻射時傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時，可利用該公式準確計算出結(jié)果。 熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用

12、這些公式可計算出“從表面溫度為的方形箱體表面會向空氣中釋放多少W的熱量”。 至此，總結(jié)了“熱設(shè)計的3條基礎(chǔ)知識”。不論是感覺“公式很難”的人，還是“早就知道”的人，只要了解這3條就足夠了。 總而言之，其根本是要“遵守原理原則”。不違背原理原則，一點一點仔細設(shè)計非常重要。就像中學(xué)和大學(xué)教科書中記載的那樣，基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)最為重要。 下面，估計一下實際設(shè)備的大小，然后試著計算從該箱體的表面會釋放出多少熱量。假設(shè)將大小與第一代PS3幾乎相同（325mm275mm100mm）的方形箱體豎著放置，并且假設(shè)該箱體內(nèi)外不換氣。 環(huán)境溫度按照產(chǎn)品的工作保證溫度決定。在此，工作保證溫度最高為35，假設(shè)再加上5作為設(shè)

13、計余量。 下面再確定一下設(shè)備外裝的表面溫度吧！該溫度由作為產(chǎn)品性能參數(shù)的容許溫度決定。在此，假設(shè)箱體的表面溫度同樣為60。并且，將由外裝使用的素材及顏色決定的表面輻射率設(shè)定為0.8。 此時，在其內(nèi)部生成的不對，應(yīng)該是在箱體內(nèi)部由電轉(zhuǎn)換為熱量的能量，從箱體的表面通過熱對流及熱輻射的方式向外部轉(zhuǎn)移。另外，估計設(shè)備表面與外部接觸的部分只有小橡膠底座，因此不會通過熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量。 并且，暫不考慮散熱片設(shè)計情況及處理器的溫度。這里僅針對箱體大小、表面情況及外部溫度決定的能量進出收支計算。 會是多少W呢？第一代PS3的最大發(fā)熱量為380W。試想一下，其中來自外殼表面的散熱會是多少？ 從箱體表面放出的熱

14、量為54.8W。而這是外殼表面溫度均為60時的數(shù)值。實際上，外殼的表面溫度分布不均，只有一部分為溫度60。估計大部分無法達到規(guī)格溫度。粗略估算一下，整體僅有6成為60，只能散熱32.9W。估計現(xiàn)實中會更少。 綜上所述，PS3大小的設(shè)備從外殼表面最多只能散熱30W左右?？杀氖?，這就是現(xiàn)實。產(chǎn)品的發(fā)熱量如果為100W，剩余的70W必須采用其他方式強制釋放出來。380W的話，剩下的就是350W。下一章將介紹為此而采用的換氣措施。與PS3同等大小的箱體所產(chǎn)生的自然散熱，最多也只有30W左右，這在確認熱相關(guān)基礎(chǔ)知識的第一篇文章中已經(jīng)介紹過。有時必須利用某些手段強制性地排出剩余熱能。此時，電子產(chǎn)品中使用

15、的是專門用來在產(chǎn)品內(nèi)外進行換氣的風(fēng)扇。該風(fēng)扇根據(jù)能量的收支計算來決定。下面將介紹如何選擇風(fēng)扇。在講解熱傳遞基礎(chǔ)知識的本連載第一篇文章中得知，與第一代“PlayStation 3”（PS3）大?。?25mm275mm100mm）基本相同的方形箱體表面，“最多只能散熱30W左右”。而事實上，有許多人無法認同這種解釋。他們的觀點大致有以下三種?！昂孟裼休椛涮匦苑浅３錾耐苛希俊薄巴鈿と坎捎娩X！”“如果采用水冷方式的話，可以進一步減小尺寸？”在進入正題之前，我們先就這些觀點進行探討。首先是“魔術(shù)涂料”。實際上，的確有一種可以提高表面輻射率的涂料。那么，我們將在上次計算中為0.8的輻射率，改為理論最高

16、值1.0進行計算。雖然因輻射而產(chǎn)生的散熱量增至1.25倍，但整體上約為38W，只不過比上次的33W增加了5W。在“發(fā)熱量較少，而換氣的確困難”的狀況下，“魔術(shù)涂料”可成為強有力的幫手，但也并不是將散熱量增至兩倍或三倍?！巴鈿と坎捎娩X！多花成本也無所謂！”這樣的話對于我這樣的機械愛好者真是求之不得然而，這種想法的出發(fā)點應(yīng)該是“均勻外殼表面的溫度，從整個表面進行散熱”吧。這種情況下的答案顯而易見。上章中，考慮到外殼表面的溫度分布，粗略地估算為有“六成”分布達到60，散熱量估計為33W。假設(shè)外殼表面完全沒有溫度分布，整個表面均為60，那么不打“六折”，散熱量約為55W。那么，反過來算一下，要想通過

17、外殼表面散熱300W，表面溫度必須為多少。而且，輻射率為理論上的最高值1.0，同時沒有溫度分布！在這種條件下進行計算，得到的結(jié)果竟然是115。這種溫度豈止是摸上去會不會導(dǎo)致燒傷的問題！這種游戲機太不安全了，無法銷售?！叭绻捎盟浞绞降脑?，將可以很好地降溫”。許多人都有這種簡單的想法。確實，自來水是比較涼。如果從自來水的水龍頭開始拉長水管連接到產(chǎn)品上的話，肯定可以很好地降溫。但是，不能這么做吧。冷卻機構(gòu)基本上由三個要素構(gòu)成。受熱部：承受發(fā)熱源的熱量傳熱部：將熱量從受熱部傳遞到散熱部散熱部：將熱量傳遞到大氣中水冷是指經(jīng)由水進行熱傳遞。其原理是暫且將發(fā)熱源的熱量傳遞到水中，然后水（應(yīng)該是熱水）流動

18、到散熱部，最后排放到大氣中。水冷后的水只在裝置中循環(huán)，最終必須通過某些方法將熱量排放到大氣中。原則上，和的大小即使采用水冷方式也不會發(fā)生變化。另外，如果采用水冷方式，就需要泵和配管，這樣一來冷卻機構(gòu)的體積就會變大。水冷可以在下列幾種情況中發(fā)揮作用。汽車的發(fā)動機（發(fā)熱源）和散熱器（散熱部）就是代表性例子。 由于發(fā)熱部的熱密度較大，因此希望提高受熱部的熱導(dǎo)率 發(fā)熱部和散熱部遠遠地隔開 由于總發(fā)熱量較多、散熱部非常大，因此希望將熱量擴散到散熱部的各個角落 發(fā)熱源較多，希望通過一個散熱部統(tǒng)一進行散熱 至此，各位讀者心中已經(jīng)有一個大致的答案了吧。即使運用各種方法，也無法從PS3這種大小的產(chǎn)品表面自然地放

19、出200W或300W的熱量。剩余部分只能吸入空氣，然后使熱量滲入到空氣中，最后將變暖的空氣排放到產(chǎn)品外部。例如，如果整個裝置的發(fā)熱量為100W，則剩余的70W必須通過“換氣”排出去。那么，當(dāng)流入空氣溫度為40、流出空氣溫度為60時，為了排出70W熱量需要多少空氣量呢？根據(jù)空氣熱容量按照下面的公式進行計算后得知，需要毎秒2.7L（毎分0.162m3）的空氣。即便只是想象一下，也是個很大的量啊。該風(fēng)量無法通過自然換氣排出來，稍后將會詳細地進行介紹。最終結(jié)論是需要風(fēng)扇。另外，第一代PS3的熱處理能力為500W，因此，為了通過換氣將減去30W后剩余的470W排出去，需要每分鐘1.1m3的換氣量。不過，

20、在實際的產(chǎn)品開發(fā)中，很難按照理論值進行。會使用稍多的流量。換言之，“能夠以盡量接近理論值的較少的空氣量進行冷卻”將決定冷卻設(shè)計的優(yōu)劣。如何減少未發(fā)揮作用而白白通過的空氣，將成為顯示技術(shù)實力的關(guān)鍵。此處將介紹在本連載中今后會用到的便捷工具。這就是稱為“P-Q圖”或“P-Q特性”的圖表，縱軸表示靜壓（P）、橫軸表示流量（Q）。裝置的阻力特性請想象一下有吸氣口和排氣口的裝置。空氣從吸氣口進入后，會在裝置內(nèi)流動，然后從排氣口出來。此時，裝置中塞滿了部件，因此會阻礙空氣流動。如果在吸氣口施加低靜壓，會有少量空氣流動起來，如果施加高靜壓則會有大量的空氣流動起來。這是當(dāng)然的。如果將這種關(guān)系用圖表來表示，會形

21、成一條向右上方攀升的線。表示裝置的通風(fēng)阻力，即“向該裝置中施加多少靜壓后，會有多少空氣會流動起來”。一般稱為“系統(tǒng)阻抗” （System Impedance）。風(fēng)扇的性能特性當(dāng)被問及“該風(fēng)扇的性能如何”時，如果可以用“10馬力”等一個數(shù)值來表達就好了，但卻不能這么做。這是因為，即便是同一個風(fēng)扇，如果安裝在阻力較大的箱體上，就只能使少量空氣流動起來，如果安裝在阻力較小的箱體上，則可以使更多的空氣流動起來。將這種關(guān)系用圖表來表示的話，會形成一條向右下方下降的線。就是表示風(fēng)扇能力的曲線。表示“風(fēng)扇在多大的靜壓時，會使多少空氣流動起來”。一般稱為“風(fēng)扇的P-Q特性”。工作點那么，在裝置中安裝風(fēng)扇時，會

22、產(chǎn)生多大的靜壓、流動多大的流量？表示該答案的就是和的交點工作點。在對強制進行空氣冷卻的產(chǎn)品進行設(shè)計，最先決定的是風(fēng)扇的種類和大小。風(fēng)扇的種類和大小先于散熱片（散熱板）和微細內(nèi)部構(gòu)造進行決定，這也許會讓部分讀者覺得意外。更準確的說，是已經(jīng)被決定了。風(fēng)扇有多種型號，P-Q特性線的斜率會因種類而發(fā)生變化。這里將介紹三種具有代表性的風(fēng)扇。軸流風(fēng)扇：這是一種最普通的像電風(fēng)扇扇翼一樣的風(fēng)扇。風(fēng)從扇翼的旋轉(zhuǎn)軸方向排出。特點是靜壓低、風(fēng)量大?！癙layStation 2”（PS2）中采用了這種型號的風(fēng)扇。離心式風(fēng)扇：這是一種利用離心力引起空氣流動的風(fēng)扇。風(fēng)從圓周方向排出。特點是靜壓稍高、風(fēng)量稍少。PS3中采用

23、的風(fēng)扇就是這種型號。橫流風(fēng)扇（Cross flow Fan）：從旋轉(zhuǎn)圓筒的一側(cè)曲面大量吸入空氣，然后從另一曲面大量排出。特點是風(fēng)量超大、靜壓超低。適合換氣量非常大、系統(tǒng)阻抗較低的產(chǎn)品。代表性例子就是空調(diào)的室內(nèi)機。另外，即便是相同種類的風(fēng)扇，如果大小和旋轉(zhuǎn)次數(shù)不同，風(fēng)量和靜壓也會發(fā)生變化。如果都變大的話，P-Q特性線就會偏向右上方。下面將把各種風(fēng)扇的特性繪制到P-Q圖中。將各種風(fēng)扇P-Q特性線的大致中間值作為代表值，兩軸采用對數(shù)顯示方式。按照橫流風(fēng)扇、軸流風(fēng)扇和離心式風(fēng)扇的順序，靜壓越來越高。作為參考，還加入了機械式壓縮機的數(shù)值。正如讀者想像的那樣，壓力非常大，但流量非常少。將正在設(shè)計的產(chǎn)品所需

24、風(fēng)量和所需靜壓代入該圖中，就可以判斷出哪種型號的風(fēng)扇是最佳選擇。那么，筆者將以第一代PS2及第一代PS3為例來介紹風(fēng)扇的選擇方法。首先，估計所需的換氣量。第一代PS2為了向空氣中排出80W，所需的換氣量為毎分鐘0.24m3。第一代PS3為了承受470W的熱量，需要毎分鐘1.1m3的換氣量。然后，估計系統(tǒng)阻抗。雖然只是“估計”，但實際上并不能通過紙上計算輕松地得出結(jié)果。對類似的機型進行測量，或者試制樣機進行實驗，這樣更快吧。從結(jié)論來看，第一代PS2約為15Pa，第一代PS3約為300Pa。兩者之間的差距起因于空氣的流動路徑。PS2采用的是從外殼前面吸氣，然后冷卻散熱片和電源，最后直接從外殼背面進

25、行排氣的筆直流路。而PS3則是從多處吸氣，對多處進行冷卻，然后冷卻電源，在外殼內(nèi)轉(zhuǎn)換方向從二層降到一層，對散熱片進行冷卻后排氣。由于流路長而復(fù)雜，因此空氣阻力較大。這時就需要可以解決這個問題的高靜壓風(fēng)扇。熱設(shè)計基礎(chǔ)（三）散熱片設(shè)計的基礎(chǔ)是手工計算2011-02-23 21:58 來源：技術(shù)在線 字號:小大 我要評論(0) 【打印】在上一章里，確定了用于平衡整個裝置能量收支的風(fēng)扇種類。本文將以此為前提來設(shè)計散熱片。從求出熱傳導(dǎo)率及散熱量的公式來考慮即可得知，散熱片（Heat Sink）的大概性能可通過簡單的手工計算來求得。下面將結(jié)合首款PS3的實例，證實手工計算得出的結(jié)果與實際裝置上采用的散熱片

26、的驚人一致之處。在熱設(shè)計基礎(chǔ)（二）風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定一文中曾提到整個裝置中的熱能收支是相互吻合的。下面，開始介紹散熱片的設(shè)計。想讓滾燙的拉面涼下來時，大家會怎么做？一般會呼呼地吹氣，對吧？這是利用了【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(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。這個時候，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來呢？熱傳導(dǎo)實現(xiàn)的散熱量公式如下：通過熱傳導(dǎo)實現(xiàn)的散熱量W熱傳導(dǎo)率W/（m2）散熱面積m2與周圍的溫度差由于溫度差，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，借此加大散熱面積，并

27、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。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)熱源的熱量擴散到面積較大的翼片（葉片）上，然后通過熱傳導(dǎo)將熱量轉(zhuǎn)移給空氣，這就是散熱片的功能。讓我們來復(fù)習(xí)一下計算散熱量時一定會用到的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率會隨著散熱面的放置方式而發(fā)生變化。強制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過時，熱傳導(dǎo)率的計算式如下。也就是說，與散熱量相關(guān)的變量有以下4個。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。

28、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。流速：流速提高，則熱傳導(dǎo)率也提高。不過，即使流速增加1倍，熱傳導(dǎo)率只增加0.4倍，也就是說，散熱量只會增加0.4倍。氣流方向的長度：該長度越短，則熱傳導(dǎo)率越高。這是因為，在氣流方向的下游空氣溫度會上升，而冷卻能力則會下降。在相同面積的翼片上，如果在氣流方向上以長度較短、而橫向較寬的方式配置散熱片，則散熱量增大。下面，讓我們來計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的空氣平行流過的強制空冷散熱片時的實例。從散熱

29、面散發(fā)出的熱量達到了2.44W。因為每枚翼片都有正反兩面，所以，應(yīng)該有2倍的4.88W熱量從翼片散發(fā)出來。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行的計算，但實際上不可能整個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略微下降。因此，散熱量會小于上述的4.88W。例如，會減小到70或者85。隨著翼片內(nèi)部溫度分布的不同，散熱量會降低到翼片整體為均一溫度時的百分之幾，我們將這個百分數(shù)稱為“翼片效率”。翼片效率可通過翼片的熱傳導(dǎo)率

30、及尺寸進行計算。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，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。大家可以利用表計算軟件等，試著改換多種變量來計算一下。這樣就能切實感受到采用什么樣的翼片時會散發(fā)多少熱量。下面，讓我們用以上介紹的計算方法來設(shè)計第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。不過，在此之前必須有設(shè)計思想。設(shè)計是一門藝術(shù)，解不會是只有一個?；谑裁礃拥南敕ā⒃O(shè)計成什么形狀，這些都必需在設(shè)計之初確定下來。否則的話，要么會中途迷失方向，誤入歧途，從而求不

31、出答案；要么最終得到一個修修補補、東拼西湊出來的設(shè)計。筆者在確定設(shè)計思想時，只想一個問題：“什么樣的設(shè)計才是最理想的？”。我覺得，重要的是拋棄根據(jù)晦澀難懂的專業(yè)知識及經(jīng)驗得出的成見，單刀直入地考慮問題。首先，我們來考慮“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。這樣才能使熱量擴散到產(chǎn)生氣流的整個區(qū)域。這與上一章介紹的“消除那些不做功而白白流過的空氣”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行排氣。如果

32、在這一氣流發(fā)生的整個區(qū)域薄薄地配置上散熱片的話。那就會形成像面包圈一樣的形狀。“對離心式風(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)計思想，設(shè)計出了PS3的散熱片。接下來，讓我們來確定散熱片設(shè)計的前提條件吧。首先是流速。根據(jù)裝置整體熱收支的計算，風(fēng)扇的性能指標被確定下來。根據(jù)該數(shù)值可以計算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時的流速為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，翼片的根部

33、溫度會低幾度，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，我們設(shè)定得比40的環(huán)境溫度高一些。這是因為，空氣從吸氣口進來之后，先對產(chǎn)品內(nèi)的各部位進行冷卻，然后才會到達散熱片。因此，暫且定為50。最后是熱處理能力。PS3的散熱片負責(zé)冷卻“Cell”及“RSX”這兩個LSI。在此，我們將其合在一起作為1個芯片進行計算。雖然Cell及RSX的耗電量沒有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計200W。利用以上條件，就可以通過前面列舉的計算式來計算“需要幾枚翼片”。因為翼片的尺寸為30mm30mm，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

34、為75時）。翼片效率為88，因此，實際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說，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。因為實際裝置中還要配置其他部件，所以肯定不能向整個圓周方向進行排氣。如果假定向整個圓周的70進行排氣，則翼片的間距約為2mm。綜上所述，首先通過簡單的手工計算進行粗略的設(shè)計。然后，再結(jié)合商品的性能對數(shù)值進行微調(diào)，或者通過實驗來更新“暫定”的數(shù)值，從而逐步推敲出一份最佳設(shè)計。如果利用表計算軟件等，上述計算將會十分輕松。下面，筆者給大家介紹一下針對首款PS3實際開發(fā)的散熱片的詳情。首先，是散熱片的基礎(chǔ)部分。在剛才的

35、計算中，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以內(nèi)的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個基礎(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。兩端通過焊接進行了密封，內(nèi)部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都聽過這樣一個說法，如果在富士山的頂上燒開水，不到90就會沸騰。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沸騰。熱源的熱量借助因沸騰而比平時高出數(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。通過重復(fù)這一過程，導(dǎo)熱管變

36、得整體幾乎沒有了溫度差。就是說，成了一個“熱傳導(dǎo)率接近于無限大的棒狀物體”。很神奇吧。熱設(shè)計基礎(chǔ)（四）：根據(jù)部件的熱性能考慮空氣流動和配置2011-03-13 17:20 來源：技術(shù)在線 字號:小大 我要評論(0) 【打印】在熱設(shè)計基礎(chǔ)（三）散熱片設(shè)計的基礎(chǔ)是手工計算中，對用于將裝置產(chǎn)生的熱量輸出到外部的風(fēng)扇的選擇方法，以及散熱片的設(shè)計方法進行了闡述。其中數(shù)學(xué)公式較多，讀起來可能會有些費勁。本文將對裝置內(nèi)的空氣流動、即“氣流”進行解說。由于是沒有數(shù)學(xué)公式及數(shù)值的概念性內(nèi)容，因此大家應(yīng)該能夠輕松閱讀。在裝置內(nèi)部，除了微處理器（CPU）及圖形處理LSI（GPU）以外，還有很多需要冷卻的部件。比如，

37、印刷線路板上的電路類部件、電源組件內(nèi)的電源類部件、光驅(qū)的光學(xué)部件以及硬盤（HDD）等。裝置內(nèi)的部件多種多樣。既有耐熱性強的部件，也有耐熱性差的部件。既有大量發(fā)熱的部件，也有不怎么發(fā)熱的部件。為了有效使用從外部吸入的空氣來充分冷卻這些部件，必須要注意裝置內(nèi)的氣流及各部件的配置問題。即便對裝置而言是最惡劣的使用條件，也要確保各個部件處于允許溫度以下的環(huán)境中。這便是熱設(shè)計的必要條件。雖然實際上會相對于允許溫度留出數(shù)的富余量，但如果有某些部件無謂地過度冷卻，那也會是一個問題。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是形成了無謂的空氣流動。這樣做不僅噪音會變大，而且還容易積累灰塵。可以說，“如何以最低限度的空氣量來完成冷卻”

38、是熱設(shè)計技術(shù)人員展示本事的地方。設(shè)計時需要使吸入的空氣充分發(fā)揮作用，避免涼爽的空氣直接從排氣口排放出來。站在將熱量高效地排出到外部的觀點上來說，“使加熱至接近允許溫度極限的空氣從排氣口慢慢排放出來”是熱設(shè)計的理想形態(tài)。在對氣流進行設(shè)計時，首先必須要考慮的是“哪些部件必須要冷卻”?？筛鶕?jù)以下三個觀點進行選擇。允許溫度低的部件熱密度高的部件在形狀上難以冷卻的部件。首先來看一下允許溫度低的部件。裝置內(nèi)的各種部件的允許溫度各不相同。比如“PlayStation 3”使用的部件中，允許溫度低的部件以光驅(qū)磁頭及硬盤為代表。一般而言，這些部件的耐熱溫度大多在60左右。因此這些部件必須配置在流動空氣的溫度較低

39、區(qū)域，即涼爽的地方。接下來說一下熱密度高的部件。即使是發(fā)熱量大的部件，只要尺寸夠大，利用周圍的風(fēng)也可充分冷卻，有些時候并不需要采取特別的對策。而在發(fā)熱量只有數(shù)W，但尺寸在10mm以下等熱密度較高時，不做任何處理的話有時也會出現(xiàn)意想不到的高溫。熱密度高的部件以電源類的功率元件及FET為代表。此外圖像處理LSI也意外地?zé)崦芏容^高，因此需要嚴加注意，不要漏掉。這些部件的發(fā)熱量絕對值較小，只配備少許散熱片，或者使之與周圍的金屬板部件接觸，即可輕松降低溫度。另外，這些部件本身也大多以需要冷卻對策為前提。通常都具備帶有散熱片安裝孔的冷卻板，或者使熱量釋放至底板的引腳等。最后來看一下形狀上難以冷卻的部件。裝

40、置中配備有多種形狀的部件。表面封裝IC等平坦形狀的部件容易采取在表面上安裝散熱片，或者使之與金屬板部件接觸的對策。而線圈及變壓器之類的部件沒有表面能夠用于輕松接觸，只能直接用風(fēng)來進行冷卻。因此這些部件通常配備在空氣流動量較大的地方或者風(fēng)速較高的地方。確定了應(yīng)該冷卻的部件之后，便可進入考慮氣流配置的工作環(huán)節(jié)。這時需要注意的是空氣的溫度及流速等會因位置不同而異。利用風(fēng)扇進行強制空氣冷卻的裝置從吸氣口吸入涼爽的外部空氣，在對裝置內(nèi)部進行冷卻之后，從排氣口將變熱的空氣排出。吸入裝置內(nèi)部的空氣一邊從裝置內(nèi)的各個部分吸取熱能量，一邊在機殼內(nèi)行進，因此空氣的溫度會從氣流上游到下游逐步上升。上游的涼爽空氣具有

41、較高的冷卻能力。而下游的熱空氣就沒有多少冷卻能力了。因此，應(yīng)該盡量將必須要充分冷卻的部件及耐熱較低的部件配置在上游。空氣流量會受到機殼設(shè)計的影響，并不是固定的。比如可嘗試采用由多個吸氣口吸氣，用一個風(fēng)扇鼓風(fēng)，然后由排氣口排出的流路。如果是下圖這樣的氣流的話，分散的各個吸氣口當(dāng)然只會吸入一部分空氣。但在風(fēng)扇前后方，流過裝置內(nèi)部的空氣會全部集合在一起。也就是說，空氣的流量會因位置不同而異。當(dāng)然，流量大的話便可充分進行冷卻。流量增加1倍的話，冷卻能力也會增加1倍。另外，空氣的流速在風(fēng)扇的上游和下游有所不同，而且還會因為流路截面面積的不同而異。一般而言，由風(fēng)扇吸引形成的上游空氣的流速上較慢，而由風(fēng)扇推

42、壓形成的下游空氣則較快。而且流路的截面面積也大多會因位置的不同而各異。在截面面積大的位置上流速就會變慢，而在截面面積狹窄的位置上則會變快。流速當(dāng)然也是越快的話就越能夠充分冷卻。但即使流速增加1倍，冷卻能力也只能增加0.4倍。風(fēng)扇在鼓風(fēng)的同時還會產(chǎn)生壓力。風(fēng)扇下游的氣壓高于大氣壓，會產(chǎn)生正壓，風(fēng)扇上游的氣壓低于大氣壓，會產(chǎn)生負壓。這樣的話，如果正壓區(qū)域與負壓區(qū)域的分界線上存在間隙的話，空氣就會從正壓區(qū)域流向負壓區(qū)域。風(fēng)扇排出的空氣必須與熱能量一起全部徹底地排出機殼外部。空氣在內(nèi)部循環(huán)的話會使風(fēng)扇做無用功。這樣就需要在正壓與負壓的分界部分用海綿材料等徹底隔開，以防止泄漏。采用離心式風(fēng)扇等高靜壓風(fēng)扇

43、的裝置時尤其要注意這一點。概念性的內(nèi)容先說到這里，下面來介紹一下PS3初期機型的冷卻過程。PS3主要通過三個途徑來吸氣，集中到風(fēng)扇的空氣穿過散熱片后排出。耐熱溫度低的光驅(qū)和硬盤配置在最上游的涼爽空氣區(qū)域。熱密度高的部件及難以冷卻的部件較多的電源組件配置在空氣溫度較低，空氣流量差不多即可的風(fēng)扇緊前方，原因是光驅(qū)本身的發(fā)熱量很少，空氣溫度幾乎不會上升。CPU“Cell”和GPU“RSX”的散熱片配置在風(fēng)扇的緊后方，這是為了高速流過全部空氣來提高散熱效果。底板上封裝的、需要冷卻的零散部件通過使之與1mm厚的鋁板制框架接觸來統(tǒng)一冷卻。因為要一個個逐一安裝散熱片的話，部件數(shù)量太多。另外，機殼也是需要冷卻

44、的重要部件，因為表面溫度規(guī)定有標準值。PS3通過使吸入的涼爽空氣流過內(nèi)部部件與機殼外裝之間的間隙來進行冷卻。從上圖可以看出，風(fēng)扇配置在了流路的中心位置。這是對之前所說過的“泄漏”必須加以注意的典型范例。通過仔細堵住全部間隙，防止了泄漏。下面對PS3初期機型的內(nèi)部氣流做進一步的詳細介紹。下圖是從上方觀看橫置的PS3時的狀態(tài)。從右側(cè)的吸氣口流入的空氣首先穿過光驅(qū)的上下方。之后從電源組件的保板上的開孔流入電源組件內(nèi)部。這相當(dāng)于路徑一。為了不讓氣流從電源組件的外部穿過，在外裝的內(nèi)側(cè)設(shè)置了海綿制成的隔斷部件。接下來的這張圖是從底面觀看時的狀態(tài)。對電源組件進行冷卻后的空氣從左側(cè)開孔處流出來進入一層，然后直

45、接流入風(fēng)扇。流向風(fēng)扇底面的流入口的空氣還會對機殼底面進行冷卻，可防止散熱片的熱量使機殼表面變熱。這相當(dāng)于路徑二。裝置前側(cè)的檐下部分也有很多吸氣口。由此吸入的空氣流入主板下面與下側(cè)框架的間隙對底板進行冷卻，然后由風(fēng)扇位于底板一側(cè)的流入口吸入。這里也設(shè)置了海綿制成的隔斷部件，以防止氣流未對底板進行冷卻而直接流入風(fēng)扇。用于冷卻硬盤的空氣由左側(cè)面的專用吸氣口吸入。利用剛剛吸入的涼爽空氣冷卻硬盤后再用以冷卻主板，然后由風(fēng)扇位于底板一側(cè)的流入口吸入。這相當(dāng)于路徑三。最后來看一下排氣口周圍的狀況。由于從散熱片流出的空氣具有正壓，因此需要使排氣口周圍與排氣口緊密貼合起來。不然的話，排出的空氣就會泄漏到外裝的內(nèi)

46、側(cè)。由于這是氣流的壓力、流量及流速最高的部分，因此必須要注意采取防泄漏對策。PS3初期機型的熱設(shè)計就介紹到這里。從上述圖中可以看出，空氣路徑較多。由于通氣阻力較高，因此風(fēng)扇需要具有可產(chǎn)生高靜壓的能力。而且還使用了非常多的隔斷部件。這些都是PS3初期機型要改善的地方。另外，在與芯片的接觸面上，沒有采用直到“PlayStation 2”一直沿用的導(dǎo)熱膜，而是采用了導(dǎo)熱油。這樣一來，接觸面的溫度降幅會相差幾度。雖然成本會增高，但越是靠近熱源、熱量密度越大的部分，就越有效果，因而此次在接觸面上涂覆了導(dǎo)熱油。針對翼片的配置也下了工夫。在此次的設(shè)計思想中，風(fēng)扇葉片的前端會以高速通過散熱片的翼片近旁。如果將

47、翼片1枚1枚地豎立著排列，也就是相對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向垂直排列的話，葉片通過翼片的旁邊會導(dǎo)致產(chǎn)生“啪嗒啪嗒”的風(fēng)阻噪聲。為了防止這種噪聲，我們使翼片相對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向呈水平狀地進行了橫向排列。這樣完成的首款PS3的冷卻單元，其形狀如下方左圖所示。如各位看到的那樣，用于將熱量轉(zhuǎn)移給空氣的冷卻翼片，環(huán)繞著風(fēng)扇周圍進行配置。這與設(shè)計思想相吻合。如果風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，空氣便會如下方右圖箭頭所示的那樣流動。用于從芯片底板向翼片轉(zhuǎn)移熱量的立柱，沒有采用圓柱，而是采用了扁平截面形狀的柱材。這是為了使空氣順暢地流動。該立柱沿氣流方向設(shè)置了角度后進行配置。在對于這種細節(jié)的研究中，充分利用了仿真技術(shù)。包括冷卻翼片在內(nèi)的散熱片

48、，實際上分為Cell用及RSX用的兩種。這是為了消除Cell及RSX封裝高度的誤差。散熱片可根據(jù)封裝高度進行移動，以避免對底板及LSI施加壓力。受熱塊從Cell及RSX這兩個芯片接收到的熱量，通過合計5根導(dǎo)熱管以及1mm厚的鋁制芯片底板，沿水平方向擴散。通入了3根導(dǎo)熱管的受熱塊為Cell用，通入了2根的為RSX用。然后，沿水平方向擴散的熱量轉(zhuǎn)移到垂直豎立的“立柱”上，并被分配到插入立柱中的鋁制翼片上。經(jīng)過詳細的實驗及檢驗，翼片的間距最終定為2.0mm。受熱塊、芯片底板、導(dǎo)熱管及立柱在涂了焊錫膏并進行組裝之后，要在回流爐中加熱，予以固定。覆蓋并附著在導(dǎo)熱管前端的板金部件，是防止凍結(jié)時變形的加強板

49、。在包裝狀態(tài)下進行保管時等、氣溫達到0以下時導(dǎo)熱管內(nèi)部的傳動液會凍結(jié)，導(dǎo)管產(chǎn)生膨脹。板金部件就是用于防止這一現(xiàn)象的。板金部件安裝在包裝狀態(tài)下朝向下方的一側(cè)，也就是積水的一側(cè)。首款PS3的散熱片設(shè)計大家覺得怎么樣？實際開發(fā)的散熱片的整體尺寸、冷卻翼片的配置及間距等，與此前介紹的手工計算時的尺寸幾乎一致?！笆止び嬎隳茏龅饺绱司_嗎？！”，對此感到吃驚的人應(yīng)該不在少數(shù)吧。所以，手工計算也不容小覷哦。手工計算時最重要的，并不是精度。理論上應(yīng)該會出現(xiàn)什么結(jié)果？現(xiàn)實相對于理論值會出現(xiàn)多大的偏差？另外，有沒有出現(xiàn)嚴重的失誤？一邊堅持不懈地去發(fā)現(xiàn)問題，一邊進行設(shè)計，這才是至關(guān)重要的。當(dāng)然，在這之后進行嚴格的實

50、驗并進行驗證，這些工作也必不可少將需要的換氣量和靜壓代入P-Q圖中。PS2的要求標準是軸流風(fēng)扇的“好球區(qū)” （Strike Zone）。而離心式風(fēng)扇恰好符合PS3的要求標準。然后，查看風(fēng)扇廠商的產(chǎn)品目錄，從符合P-Q特性的風(fēng)扇中選擇大小剛好的產(chǎn)品。PS2和PS3風(fēng)扇的扇翼形狀是索尼自主開發(fā)的，參考各大公司的產(chǎn)品目錄后，大致上就可以想象到其大小。順便介紹一下，在第一代PS3中，為了獲得每分鐘1.1m3和300Pa的性能，新開發(fā)出了直徑為140mm、厚度為30mm的風(fēng)扇。并且，PS2和“PSX”中采用了直徑為60mm、厚度為15mm的軸流風(fēng)扇。至此，本文一直強調(diào)，“如果不用風(fēng)扇，這些風(fēng)量不會流動起

51、來”。果真如此嗎？肯定會有人持有這樣的疑問，“如果最大限度地利用煙囪效應(yīng) （Chimney Effect），不是可以散熱幾十W左右嗎”？如果溫度變高，空氣就會膨脹。也就是說，如果體積相同，熱空氣會變輕。較輕的空氣被較重的空氣推開，然后上升。這就是自然對流。如果用墻壁將又熱又輕的空氣包圍起來，敞開上下面，可進一步地促進自然對流。這就是煙囪效應(yīng)。那么，如果假設(shè)整個產(chǎn)品外殼是煙囪，則可獲得多大的流量呢？假設(shè)是一個大小與PS3基本相同的方形箱體，將其上面和下面全都敞開。然后求出此時因煙囪效應(yīng)而產(chǎn)生的靜壓。40的空氣密度為1.128kg/m3，60的空氣密度為1.060kg/m3。空氣密度之差乘以外殼高

52、度后，得知靜壓為0.022kg/m2（0.216Pa）。我們根據(jù)該靜壓來推算風(fēng)量。因為有第一代PS2的系統(tǒng)阻抗測定值，因此可以使用。當(dāng)施加通過煙囪效應(yīng)獲得的0.216Pa靜壓時，流入第一代PS2的風(fēng)量僅為毎分鐘0.015m3。第一代PS2需要的風(fēng)量，即便是理論值也高達每分鐘0.24m3。毎分鐘0.015m3這個數(shù)值完全不夠！即使將整個產(chǎn)品外殼做成煙囪，也無望通過煙囪效應(yīng)進行換氣。結(jié)論還是必須得安裝風(fēng)扇。如上所述，所需風(fēng)扇型號和大小全由能量情況決定。首先應(yīng)決定風(fēng)扇，“采用何種內(nèi)部構(gòu)造”及“采用什么樣的散熱片”等是次要的。姑且進行試制或姑且實現(xiàn)模塊化進行模擬，如果未能冷卻再安裝風(fēng)扇，這種開發(fā)方式無

53、法制成出色的產(chǎn)品，而且會耗費開發(fā)時間。首先動手計算，搞清楚能量收支與風(fēng)扇的必要性，才是合理的設(shè)計捷徑?！癙layStation 3”的冷卻機構(gòu)在2009年上市的新款機型上作了大幅更新。這是因為，耗電的減少帶來熱設(shè)計的前提條件出現(xiàn)了變化，另外實現(xiàn)殼體的薄型化也需要調(diào)整冷卻機構(gòu)。但索尼計算機娛樂公司表示，熱設(shè)計的基本思路從首款開始從未改變過。作為本系列連載的最終篇，筆者將為我們介紹新款PS3的冷卻機構(gòu)是怎樣變化的。索尼計算機娛樂于2009年9月推出了新款“PlayStation 3”（PS3，型號為“CECH-2000A”）。這種新款PS3的耗電量減少到了首款機型的約2/3。為此索尼更新了包括冷卻

54、機構(gòu)在內(nèi)的全部設(shè)計，外觀設(shè)計也變更為新穎的薄型設(shè)計。在連載的最終回，本文將就新款PS3中的熱設(shè)計升級換代情況作一紹介。 首款PS3的設(shè)計具有490W的熱處理能力，而耗電量比以前下降的新款PS3則按照230W的熱處理能力重新進行了設(shè)計。負責(zé)冷卻PS3的主要LSI“Cell”及“RSX”的散熱片，首款機型按照熱處理能力為200W進行設(shè)計，而新款則按照112W進行設(shè)計。讓我們來看看新款PS3的內(nèi)部布局首款PS3采用在裝置的中央配置主板的雙層構(gòu)造。電源及光驅(qū)置于上層，在夾持底板的下層配置了冷卻單元。為了實現(xiàn)薄型化，新款PS3采用了“平房”構(gòu)造。在主板上并排放置了所有組件。這樣組裝工時可以大幅減少。下面

55、將著重介紹有關(guān)熱設(shè)計的幾處重要更新。首先是主LSI微處理器“Cell”以及圖形處理LSI“RSX”的冷卻單元。冷卻單元的基本設(shè)計思路及構(gòu)造，自首款PS3以來一直沒有改變。只是在此基礎(chǔ)上，對于新款機型進一步推進了小型化。風(fēng)扇方面，與首款機型同樣采用了離心式風(fēng)扇。如果按照新款PS3的熱處理能力為230W進行計算，則所需換氣量為毎分鐘0.36m3。另外，整個裝置的系統(tǒng)阻抗 （System Impedance，通氣阻抗）為230Pa。 如果將該值代入第2回（【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（二）風(fēng)扇只需根據(jù)能量收支決定）中介紹的“P-Q線圖”中，就會發(fā)現(xiàn)離心式風(fēng)扇對新款PS3而言也是最佳選擇。不過，新款PS3的

56、風(fēng)扇大幅實現(xiàn)了小型化。這是因為，所需換氣量從每分鐘1.1m3減少到了每分鐘0.36m3。風(fēng)扇的直徑也從140mm減小到了100mm。首款PS3的散熱片，基于“離心式風(fēng)扇的理想的散熱片形狀為炸面包圈形”這一設(shè)計思路設(shè)計而成（參見【技術(shù)講座】熱設(shè)計基礎(chǔ)（三）散熱片設(shè)計的基礎(chǔ)是手工計算）。然而，新款PS3的散熱片的形狀則像是從炸面包圈上切下來一塊一樣。這樣做是為了實現(xiàn)散熱片的小型化。但是“讓風(fēng)扇吹出的所有空氣都流入散熱片”這一目的沒有改變。所以新款PS3通過加裝整流罩，使得氣流集中到了散熱片上。從新款PS3的風(fēng)扇吹出的空氣流速，為毎秒約1.5m。按照并排安裝0.5mm厚的鋁制散熱片，如果用第3回介紹

57、的方法進行計算，則散熱片的間距約為2.8mm。事實上，新款PS3經(jīng)過實驗以及檢驗，最終定為2.3mm。新款PS3的散熱片采用了橫向排列，從而使得散熱片與風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)方向呈平行狀態(tài)。與首款PS3一樣，這樣做還是為了降低風(fēng)阻噪聲。冷卻單元的背面如下圖所示。雖然有Cell及RSX這兩個受熱塊，但僅在Cell一側(cè)的受熱塊上安置了1條散熱的導(dǎo)熱管。其實，隨著耗電量的下降，首款PS3的后期機型已放棄了導(dǎo)熱管設(shè)計。由于新款PS3優(yōu)先考慮了小型化，因此，在熱設(shè)計上又恢復(fù)了1條導(dǎo)熱管。與首款機型一樣，受熱塊接收的熱量通過垂直豎立的立柱分配到散熱片上。對吸氣口及排氣口的調(diào)整，是此次大幅改進的關(guān)鍵點。首款PS3由于所需換氣量較多，因此，殼體上有許多吸排氣口。而且是分散于殼體各處的。由此，為了確保外飾的樹脂成型部件的生產(chǎn)效率頗費了一番氣力。而