在上一章里，確定了用于平衡整個(gè)裝置能量收支的風(fēng)扇種類,。本文將以此為前提來設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的手工計(jì)算來求得,。下面將結(jié)合首款PS3的實(shí)例,，證實(shí)手工計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際裝置上采用的散熱片的驚人一致之處。

在熱設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)。

想讓滾燙的拉面涼下來時(shí),，大家會(huì)怎么做,？一般會(huì)呼呼地吹氣，對(duì)吧,？這是利用了【技術(shù)講座】熱設(shè)計(jì)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(gè)時(shí)候,，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來呢,？

熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量公式如下：

通過熱傳導(dǎo)實(shí)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(kuò)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(jì)算散熱量時(shí)一定會(huì)用到的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率會(huì)隨著散熱面的放置方式而發(fā)生變化,。強(qiáng)制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流過時(shí),，熱傳導(dǎo)率的計(jì)算式如下。

也就是說,，與散熱量相關(guān)的變量有以下4個(gè),。

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(jīng)常會(huì)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(fā)熱源的熱量傳導(dǎo)到翼片上,。

③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(huì)增加0.4倍。

④氣流方向的長(zhǎng)度：該長(zhǎng)度越短,，則熱傳導(dǎo)率越高,。這是因?yàn)?，在氣流方向的下游空氣溫度?huì)上升，而冷卻能力則會(huì)下降,。在相同面積的翼片上,，如果在氣流方向上以長(zhǎng)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(jì)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(qiáng)制空冷散熱片時(shí)的實(shí)例,。

從散熱面散發(fā)出的熱量達(dá)到了2.44W。因?yàn)槊棵兑砥加姓磧擅?，所以,，?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(jìn)行的計(jì)算，但實(shí)際上不可能整個(gè)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(huì)略微下降。因此,，散熱量會(huì)小于上述的4.88W,。例如,，會(huì)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(huì)降低到翼片整體為均一溫度時(shí)的百分之幾,，我們將這個(gè)百分?jǐn)?shù)稱為“翼片效率”,。翼片效率可通過翼片的熱傳導(dǎo)率及尺寸進(jìn)行計(jì)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(jì)算軟件等,，試著改換多種變量來計(jì)算一下,。這樣就能切實(shí)感受到采用什么樣的翼片時(shí)會(huì)散發(fā)多少熱量。

下面,，讓我們用以上介紹的計(jì)算方法來設(shè)計(jì)第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片,。

不過，在此之前必須有設(shè)計(jì)思想,。

設(shè)計(jì)是一門藝術(shù),，解不會(huì)是只有一個(gè)?；谑裁礃拥南敕?、設(shè)計(jì)成什么形狀，這些都必需在設(shè)計(jì)之初確定下來,。否則的話,，要么會(huì)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(gè)修修補(bǔ)補(bǔ)、東拼西湊出來的設(shè)計(jì),。

筆者在確定設(shè)計(jì)思想時(shí),，只想一個(gè)問題：“什么樣的設(shè)計(jì)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(shí)及經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)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(kuò)散到產(chǎn)生氣流的整個(gè)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(jìn)行排氣,。如果在這一氣流發(fā)生的整個(gè)區(qū)域薄薄地配置上散熱片的話……。那就會(huì)形成像面包圈一樣的形狀,。

“對(duì)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(jì)思想,，設(shè)計(jì)出了PS3的散熱片。

接下來,，讓我們來確定散熱片設(shè)計(jì)的前提條件吧,。

首先是流速,。根據(jù)裝置整體熱收支的計(jì)算，風(fēng)扇的性能指標(biāo)被確定下來,。根據(jù)該數(shù)值可以計(jì)算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時(shí)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(zhǎng)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(shí),，翼片的根部溫度會(huì)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?cè)O(shè)定得比40℃的環(huán)境溫度高一些,。這是因?yàn)?，空氣從吸氣口進(jìn)來之后,，先對(duì)產(chǎn)品內(nèi)的各部位進(jìn)行冷卻，然后才會(huì)到達(dá)散熱片,。因此，暫且定為50℃。

最后是熱處理能力,。PS3的散熱片負(fù)責(zé)冷卻“Cell”及“RSX”這兩個(gè)LSI。在此,，我們將其合在一起作為1個(gè)芯片進(jìn)行計(jì)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(jì)200W,。

利用以上條件，就可以通過前面列舉的計(jì)算式來計(jì)算“需要幾枚翼片”,。

因?yàn)橐砥某叽鐬?0mm×30mm，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為75℃時(shí)）,。

翼片效率為88％,，因此,，實(shí)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?yàn)閷?shí)際裝置中還要配置其他部件,，所以肯定不能向整個(gè)圓周方向進(jìn)行排氣,。如果假定向整個(gè)圓周的70％進(jìn)行排氣，則翼片的間距約為2mm,。

綜上所述,，首先通過簡(jiǎn)單的手工計(jì)算進(jìn)行粗略的設(shè)計(jì)。然后,，再結(jié)合商品的性能對(duì)數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，或者通過實(shí)驗(yàn)來更新“暫定”的數(shù)值,，從而逐步推敲出一份最佳設(shè)計(jì)。如果利用表計(jì)算軟件等,，上述計(jì)算將會(huì)十分輕松。

下面,，筆者給大家介紹一下針對(duì)首款PS3實(shí)際開發(fā)的散熱片的詳情。

首先,，是散熱片的基礎(chǔ)部分,。在剛才的計(jì)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(gè)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(jìn)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(gè)說法，如果在富士山的頂上燒開水,，不到90℃就會(huì)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(huì)沸騰,。熱源的熱量借助因沸騰而比平時(shí)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)熱管變得整體幾乎沒有了溫度差,。就是說，成了一個(gè)“熱傳導(dǎo)率接近于無限大的棒狀物體”,。很神奇吧,。

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(huì)相差幾度。雖然成本會(huì)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(duì)翼片的配置也下了工夫。

在此次的設(shè)計(jì)思想中,，風(fēng)扇葉片的前端會(huì)以高速通過散熱片的翼片近旁。如果將翼片1枚1枚地豎立著排列,，也就是相對(duì)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(huì)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(duì)于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向呈水平狀地進(jìn)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(jìn)行配置,。這與設(shè)計(jì)思想相吻合,。如果風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，空氣便會(huì)如下方右圖箭頭所示的那樣流動(dòng)。

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(dòng)。該立柱沿氣流方向設(shè)置了角度后進(jìn)行配置,。在對(duì)于這種細(xì)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,，實(shí)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(jìn)行移動(dòng),，以避免對(duì)底板及LSI施加壓力,。

受熱塊從Cell及RSX這兩個(gè)芯片接收到的熱量，通過合計(jì)5根導(dǎo)熱管以及1mm厚的鋁制芯片底板,，沿水平方向擴(kuò)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(kuò)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(xì)的實(shí)驗(yàn)及檢驗(yàn),，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(jìn)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(shí)變形的加強(qiáng)板,。在包裝狀態(tài)下進(jìn)行保管時(shí)等,、氣溫達(dá)到0℃以下時(shí)導(dǎo)熱管內(nèi)部的傳動(dòng)液會(huì)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(jì)大家覺得怎么樣,？實(shí)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(jì)算時(shí)的尺寸幾乎一致。

“手工計(jì)算能做到如此精確嗎,？,！”，對(duì)此感到吃驚的人應(yīng)該不在少數(shù)吧,。所以,，手工計(jì)算也不容小覷哦。

手工計(jì)算時(shí)最重要的,，并不是精度,。理論上應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？現(xiàn)實(shí)相對(duì)于理論值會(huì)出現(xiàn)多大的偏差,？另外,，有沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的失誤,？一邊堅(jiān)持不懈地去發(fā)現(xiàn)問題,，一邊進(jìn)行設(shè)計(jì),，這才是至關(guān)重要的,。當(dāng)然,，在這之后進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證,，這些工作也必不可少。

（特邀撰稿人：鳳 康宏,，索尼計(jì)算機(jī)娛樂第1業(yè)務(wù)部設(shè)計(jì)部5科科長(zhǎng)）