如果能夠依靠這些對(duì)策解決問(wèn)題，那也罷了。但是，如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的階段，其思路存在不合理的地方，無(wú)論如何都無(wú)法冷卻，那么，很可能會(huì)出現(xiàn)不得不重新進(jìn)行設(shè)計(jì)的最糟糕的局面。
而這種局面，如果能在最初簡(jiǎn)單地估算一下，便可避免發(fā)生。這就是“熱設(shè)計(jì)”。正如“設(shè)計(jì)”本身的含義，是根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)來(lái)構(gòu)想應(yīng)采用何種構(gòu)造，然后制定方案。也可稱(chēng)之為估計(jì)“大致熱量”的作業(yè)。
雖說(shuō)如此，但這其實(shí)并非什么高深的話(huà)題。如果讀一下這篇連載，學(xué)習(xí)幾個(gè)“基礎(chǔ)知識(shí)”，制作簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)表格，便可制作出能適用于各種情況的計(jì)算書(shū)，甚至無(wú)需專(zhuān)業(yè)的理科知識(shí)。
第1章從“什么是熱”這一話(huà)題開(kāi)始介紹。大家可能會(huì)想“那接下來(lái)呢”？不過(guò)現(xiàn)在想問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)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(dòng)能、電能及位能等一樣，也存在熱能。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(dòng)1m，使1g的水溫度升高0.24℃。
設(shè)備會(huì)持續(xù)發(fā)熱。像這樣，熱量連續(xù)不斷流動(dòng)時(shí)，估計(jì)用“每秒的熱能量”來(lái)表示會(huì)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(huì)突然生成，也不會(huì)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(dòng)1m。使該“物體移動(dòng)”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物體時(shí)，能量會(huì)以位能的形態(tài)保存在物體中。使用能量使物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，則以動(dòng)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0.24℃。這并不是通過(guò)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(lái)。
如上所述，能量無(wú)論在何處都一定會(huì)以某種形態(tài)保存起來(lái)。能量既不會(huì)憑空消失，也絕不會(huì)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(huì)流動(dòng)，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(gè)問(wèn)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(guò)是根據(jù)能量的多少表現(xiàn)出來(lái)的一種現(xiàn)象。即使能量相同，如果集中在一個(gè)狹窄的空間內(nèi)，溫度就會(huì)升高，而大范圍分散時(shí)，溫度就會(huì)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(huì)在產(chǎn)品內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能，然后只會(huì)向周?chē)奈矬w及空氣傳遞。
接通電源后一段時(shí)間內(nèi)，多半轉(zhuǎn)換的熱能會(huì)被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量?jī)H為少數(shù)。之后，裝置溫度升高一定程度時(shí)，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會(huì)無(wú)止境上升。
很多人會(huì)認(rèn)為，“熱設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機(jī)構(gòu)”。
就像前面指出的那樣，說(shuō)是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產(chǎn)生熱能。說(shuō)是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。
如圖所示,熱設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)一種“將○○W的能量完全向外部轉(zhuǎn)移的機(jī)構(gòu)”，其結(jié)果是可達(dá)到“○○℃以下”。大家首先要有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)！
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(duì)流”及“熱輻射”。請(qǐng)注意，傳導(dǎo)與對(duì)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(shù)脂為0.2～0.3，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(huà)來(lái)表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長(zhǎng)1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1℃時(shí)，會(huì)流動(dòng)多少W”。如果將其單位“W/（m·℃）”寫(xiě)成
大家是不是立刻就明白了呢？
對(duì)流是指熱能通過(guò)與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請(qǐng)大家聯(lián)想一下吃熱拉面時(shí)的情景。用嘴吹一下，拉面就會(huì)變涼。那就是利用熱對(duì)流使熱從拉面表面向吹出的空氣傳遞的結(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(shí)，自然對(duì)流就為（2.3～5.8）×100，受迫對(duì)流就為（1.2～5.8）×1000，水沸騰時(shí)就為（1.2～2.3）×10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2·℃）”。
這個(gè)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?chē)黧w的溫度差為1℃時(shí)，會(huì)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(lèi)、流速及流動(dòng)方向等，數(shù)值會(huì)發(fā)生變化。因此，計(jì)算傳熱系數(shù)的公式會(huì)根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。
比如，有一個(gè)溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動(dòng)空氣時(shí)（受迫對(duì)流），可用左圖的公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點(diǎn)。
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(dòng)的距離越長(zhǎng)，傳熱系數(shù)越低。比如：在冷卻面上流動(dòng)的空氣吸熱后，會(huì)在溫度上升的同時(shí)繼續(xù)流動(dòng)，因此冷卻能力會(huì)越來(lái)越弱
總之，冷卻熱的物體時(shí)，與使用強(qiáng)風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴(kuò)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(duì)流的情況。空氣自然對(duì)流時(shí)的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。
這里出現(xiàn)兩個(gè)新詞，分別為“姿勢(shì)系數(shù)”和“代表長(zhǎng)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(shí)的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢(shì)系數(shù)及代表長(zhǎng)度。
輻射是指經(jīng)由紅外線(xiàn)、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(xiàn)照射后，會(huì)感到溫暖。這就是熱輻射。太陽(yáng)的熱量穿過(guò)真空宇宙到達(dá)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(lái)表示，其數(shù)值范圍為0～1。理論上來(lái)講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.05～0.5，鐵為0.6～0.9，黑色樹(shù)脂為0.8～0.9。這就是熱輻射率（沒(méi)有單位）。
此處公開(kāi)的公式是一個(gè)近似式，用于計(jì)算設(shè)置在空氣中的物體向周?chē)目諝膺M(jìn)行輻射時(shí)傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時(shí)，可利用該公式準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)果。
熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計(jì)算出“從表面溫度為○○℃的方形箱體表面會(huì)向空氣中釋放多少W的熱量”。
至此，總結(jié)了“熱設(shè)計(jì)的3條基礎(chǔ)知識(shí)”。不論是感覺(jué)“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(diǎn)一點(diǎn)仔細(xì)設(shè)計(jì)非常重要。就像中學(xué)和大學(xué)教科書(shū)中記載的那樣，基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)最為重要。
（未完待續(xù)）
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2.本文意圖是為了向大家解說(shuō)SONYPS3散熱設(shè)計(jì)過(guò)程，但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(jì)算，同時(shí)還向讀者展示了散熱設(shè)計(jì)的實(shí)例（既包括整體散熱設(shè)計(jì)也包括了部件散熱設(shè)計(jì)）。比較適合熱設(shè)計(jì)初學(xué)者學(xué)習(xí)。
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