新时代热设计工程师的路

本文为《工程热设计》一书的序言。

电子产品中,元器件在实现各种功能的过程需要消耗电能,根据热力学第二定律,部分电能将会转化成热能,这就造成了温度问题。温度的过高或过低,都将影响产品的正常运行。电子产品热设计面临前所未有的机遇与挑战。从传统的3C产品(计算机-Computer,通讯-Communication和消费电子产品-Consumer Electronic),到无人机、新能源汽车、人工智能硬件等产品中,电子产品热设计正扮演者越来越重要的角色。

作为两门古老的学科,热物理学在人类历史的发展进程中起到了关键作用。第一次和第二次科技革命本质上都是能量利用方式,尤其是热能利用方式的变革。电子热设计行业的兴起,无疑又使这门学科在新时期又有了新的作用。信息技术的发展激发了半导体行业的飞速进步,人们正制造出功能越来越强大的设备,产品的耗电量也在急速增加。据统计,2016年中国数据中心总耗电量超过1200亿千瓦时,这个数字甚至超过了三峡大坝2016年全年的总发电量(约1000亿千瓦时)。一个令人吃惊的信息是,这其中很大一部分能量实际上是被温度控制需求消耗了,数据中心制冷耗费的电能甚至占到了总耗电量的70%。电子产品热设计在节能环保方面的重要性可见一斑。

温度的合理控制是热设计的核心目标,但它绝不是热设计工作者应该考虑的唯一因素。在施加温度控制方案的过程中,设计师还必须考虑其它多方面的问题。以汽车热设计举例,设计师需要在特定空间、特定环境中解决温度控制问题。控制好温度只是基本目标,一个优秀的设计方案至少还需要兼顾如下方面:

  1. 设计方案的长期稳定性:需要考虑所用材料在各种环境中长期运行会产生的变化,比如液冷设计中的管路腐蚀,所用导热界面材料随时间而产生的性能衰减等;
  2. 成本:需要了解所用物料的机械加工工艺、原材料成本等;
  3. 系统的兼容性:热设计用到的散热器、风扇、冷板等,需要和车的整体设计融为一体,充分考虑汽车其它系统性要求;
  4. 后期维护便捷性:热设计方案需要结合整车可能要进行的后期维护进行调整;
  5. 对人体的保护:所用的方案不能产生有害气体、刺耳的噪音或其它对人体有害的刺激;
  6. 密度和强度:车身更轻有助于节能省油,但更轻薄的结构件通常强度也会更弱;
  7. 异常情况的处理:汽车运行的环境复杂多变,温度控制方案应当能够在异常情况下采取合理的应对策略,甚至根据某些检测指标,提醒车主对汽车某些部位进行检查或保养。

由上面几点可以看到,除了传热学和流体力学两个基本学科,电子产品热设计还涉及到电学、声学、材料学和机械加工等多个学科,不同种类的产品所考量的因素也有巨大差异。随着产品热功率密度的日渐提升,温度问题愈发严峻,一个产品热设计方案的优异程度正对其整体性能表现有着越来越明显的影响。

除了涉及面广,现代产品的研发和更新迭代特征还对热设计师提出了更高的要求。热设计师必须对产品的温度表现有更为深度的洞察,才能在没有充足的时间去制作大量的样品测试的基础上设计创作出合理的方案,从而应对日渐缩短的产品研发周期。这中快速响应就要求设计者需要深度理解传热学、流体力学等与热设计高度相关的理论知识。当然,不可否认的是,长期工作过程中积累的工程设计经验是十分宝贵的,合理运用这些经验可以避免很多损失,节省开发时间,但设计师同时必须意识到当前产品的更新迭代速度。一种产品的形态可能在数年之内产生极大的变化(以手机为例,数年之间,键盘式手机已经几乎消失,取而代之的是大屏幕、超轻薄的智能手机),其对热设计提出的需求也必然随之变大。同时,热设计相关的物料也在迅速发生着变化,如导热衬垫,2005年之前,导热衬垫导热系数通常在3W/m.K以下,到2017年,已有厂家可生产制造导热系数高达30W/m.K的高柔软度可回弹的衬垫;超薄热管也在2015年之后由之前的最薄1mm进步到0.4mm;电子产品的液冷设计目今已经广泛得到应用,甚至有厂家推出了液冷设计的笔记本电脑。因此,热设计师必须具备从工作经验中汲取设计思维,结合当前最新的散热相关技术,培养自己解决温度问题的能力。固守既有的设计经验或设计方案,将有可能导致设计的产品无法满足新产品的新需求,面临被淘汰的危机。实际上,不止热设计工作者,对产品设计有更深度的洞察,保持高效,同时时刻留意最新技术的发展并尝试将其整合到自己的设计方案中,从而创造性地设计出新的方案,是这个时代对所有产品研发工作者提出的要求。所有的技术都在快速更新,设计者的认知必须跟上这个脚步。

新的时代,新的机遇和挑战,热设计大有可为。

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