作者：鳳康宏
熱設計基礎知識（3）--散熱片設計的基礎是手工計算
在上一章里，確定了用于平衡整個裝置能量收支的風扇種類。本文將以此為前提來設計散熱片。從求出熱傳導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。下面將結合首款PS3的實例，證實手工計算得出的結果與實際裝置上采用的散熱片的驚人一致之處。熱設計基礎知識（2）風扇只需根據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【技術講座】熱設計基礎（一）：熱即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 中介紹的“熱傳導”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？
熱傳導實現的散熱量公式如下：
通過熱傳導實現的散熱量［W］＝熱傳導率［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，然后通過熱傳導將熱量轉移給空氣，這就是散熱片的功能。
讓我們來復習一下計算散熱量時一定會用到的熱傳導率。熱傳導率會隨著散熱面的放置方式而發生變化。強制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過時，熱傳導率的計算式如下。
也就是說，與散熱量相關的變量有以下4個。
①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。
②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，把發熱源的熱量傳導到翼片上。
③流速：流速提高，則熱傳導率也提高。不過，即使流速增加1倍，熱傳導率只增加0.4倍，也就是說，散熱量只會增加0.4倍。
④氣流方向的長度：該長度越短，則熱傳導率越高。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。
從散熱面散發出的熱量達到了2.44W。因為每枚翼片都有正反兩面，所以，應該有2倍的4.88W熱量從翼片散發出來。
讓我們將這種翼片放到作為發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，假設翼片根部的溫度也是80℃。
前面是在假設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，我們將這個百分數稱為“翼片效率”。翼片效率可通過翼片的熱傳導率及尺寸進行計算。
在剛才的例子中，假設翼片的熱傳導率為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多少熱量。
下面，讓我們用以上介紹的計算方法來設計第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。
不過，在此之前必須有設計思想。
設計是一門藝術，解不會是只有一個。基于什么樣的想法、設計成什么形狀，這些都必需在設計之初確定下來。否則的話，要么會中途迷失方向，誤入歧途，從而求不出答案；要么最終得到一個修修補補、東拼西湊出來的設計。
在確定設計思想時，只想一個問題：“什么樣的設計才是最理想的？”。我覺得，重要的是拋棄根據晦澀難懂的專業知識及經驗得出的成見，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該是什么形狀的？
為了提高熱傳導率，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生氣流的整個區域。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上采用離心式風扇。讓我們按照這一理想，思考一下離心式風扇中的理想散熱片形狀。
離心式風扇呈放射狀地向所有方向進行排氣。如果在這一氣流發生的整個區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計思想，設計出了PS3的散熱片。
接下來，讓我們來確定散熱片設計的前提條件吧。
首先是流速。根據裝置整體熱收支的計算，風扇的性能指標被確定下來。根據該數值可以計算出空氣剛從風扇吹出時的流速為1.4m/s。
然后是散熱片的尺寸。假定“面包圈”的厚度與風扇相同，內徑也與風扇相同。氣流方向的長度暫且假設為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200mm。材質為純鋁，翼片的板厚暫且假設為0.5mm。
與溫度相關的條件也必不可少。假定芯片表面的容許溫度為80℃時，翼片的根部溫度會低幾度，因此，我們預先假設為75℃。另外，流入散熱片的空氣溫度方面，我們設定得比40℃的環境溫度高一些。這是因為，空氣從吸氣口進來之后，先對產品內的各部位進行冷卻，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30mm×30mm，所以，熱傳導率為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計。然后，再結合商品的性能對數值進行微調，或者通過實驗來更新“暫定”的數值，從而逐步推敲出一份最佳設計。如果利用表計算軟件等，上述計算將會十分輕松。
下面，以首款PS3為例，介紹一下，實際開發的散熱片的詳情。
首先，是散熱片的基礎部分。在剛才的計算中，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℃以內的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個基礎部分。為此，PS3采用了導熱管（Heat Pipe）。
所謂的導熱管，是一種可傳輸熱量的銅制導管。兩端通過焊接進行了密封，內部接近于真空，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。而導熱管內部的水，由于在接近真空的環境下，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倍的熱傳導率轉移給了水蒸汽，這些水蒸汽在導管中溫度較低的部分散熱，變回液體的水。通過重復這一過程，導熱管變得整體幾乎沒有了溫度差。就是說，成了一個“熱傳導率接近于無限大的棒狀物體”。
（未完待續）
免責聲明：
1.本文部分圖片來自網絡，侵權刪。
2.本文意圖是為了向大家解說SONYPS3散熱設計過程，但其中大篇幅介紹了熱處理基礎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計的實例（既包括整體散熱設計也包括了部件散熱設計）。比較適合熱設計初學者學習。
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