📚 课程目录第3章热对流与热辐射

3. 热对流与热辐射

各位工程师朋友，咱们接着聊。前面讲了导热，那是固体内部的传热。但热量最终要散到空气里，或者从热源表面跑掉，靠的就是对流和辐射。这两个机制，在热管理实战中，几乎天天都要打交道。

我个人习惯，把对流和辐射放在一起讲。为什么？因为在实际的散热器设计里，它们俩是同时发生的。你看到一个散热片，它既在跟空气对流换热，也在向周围环境辐射热量。只不过，在低速风或者自然冷却的场合，辐射的占比有时候会高得让你吃惊。

先说说对流。说白了，就是流体流过固体表面，把热量带走的过程。根据流体流动的动力来源，分成两种：自然对流和强制对流。

自然对流，靠的是浮力。热空气密度小，往上飘；冷空气密度大，往下沉。就这么循环起来。我在项目中遇到过，一个50W的电源模块，只靠外壳的自然对流散热。结果外壳温度飙到95度，手都不敢碰。为什么？因为自然对流的换热系数太低了，通常只有5~25 W/(m²·K)。

强制对流，靠的是外力。比如风扇吹、水泵抽。换热系数能提升一个数量级，达到50~250 W/(m²·K)。你想想看，同样的散热面积，强制对流能带走的热量是自然对流的10倍。所以，功率稍微大一点，风扇就成了标配。

嗯，这里要注意一个坑。强制对流不是风扇越大越好。我曾经见过一个案例，工程师选了个大风量风扇，结果噪音超标，而且因为风道设计不合理，气流直接短路了，大部分风没流过散热片。所以，风道设计比风扇选型更重要。

关键对比：

对流换热量怎么算？核心公式就是牛顿冷却定律。别被名字吓到，其实很简单：

Q = h * A * ΔT

其中：

这个公式，我几乎每天都在用。做散热器设计时，先估算Q，再根据允许的温升ΔT，反推需要的散热面积A。如果面积不够，要么加风扇提高h，要么增大散热器尺寸。

举个例子。一个芯片功耗10W，允许壳温85℃，环境温度45℃，ΔT就是40℃。如果采用自然对流，h取10 W/(m²·K)，那么需要的散热面积就是：

A = Q / (h * ΔT) = 10 / (10 * 40) = 0.025 m² = 250 cm²

这个面积，大概相当于一个15cm x 17cm的散热片。如果改用强制对流，h取100 W/(m²·K)，面积只需要25 cm²，一个手指头大小的散热片就够了。差距就是这么明显。

实战技巧： 我建议你在做初步估算时，自然对流的h取10~15，强制对流的h取50~100。具体数值取决于风速、散热片齿间距、流体物性。更精确的值，需要查经验关联式或者做CFD仿真。

热辐射，跟对流和导热完全不同。它不需要介质，在真空中也能传热。所有温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外辐射能量。

这里有几个基本定律，我挑最常用的说：

斯特藩-玻尔兹曼定律：

E = ε * σ * T⁴

其中：

注意，这里是T的四次方。温度稍微升高一点，辐射量就会急剧增加。我记得有一次，一个高温设备的外壳温度从100℃升到200℃，辐射换热量增加了将近4倍。这就是为什么高温设备必须考虑辐射散热。

基尔霍夫定律：

这个定律说，在热平衡状态下，物体的发射率等于它的吸收率。说白了，一个物体辐射能力强，吸收能力也强。所以，黑色的散热片（高发射率）既容易散热，也容易吸热。在户外设备中，如果太阳直射，黑色反而不好，因为吸收的太阳辐射太多。

避坑指南： 我曾经在户外机柜设计中，默认选了黑色散热器。结果夏天太阳一晒，内部温度比预期高了8℃。后来换成浅色涂层，发射率降低，问题才解决。所以，户外设备要权衡辐射散热和太阳辐射吸收。

实际工程中，我们关心的是两个或多个表面之间的辐射换热。最简单的模型，是两个无限大平行平板之间的辐射换热：

Q = A * σ * (T₁⁴ - T₂⁴) / (1/ε₁ + 1/ε₂ - 1)

这个公式看着复杂，但原理很简单。两个表面温度不同，就会通过辐射交换热量。温度高的表面净损失热量，温度低的净获得热量。

对于更复杂的几何形状，需要引入角系数。角系数表示从一个表面发出的辐射，有多少比例到达另一个表面。比如，一个小的热源面对一个大的散热面，角系数接近1。如果两个表面互相看不见，角系数就是0。

我建议你在做辐射计算时，先判断辐射是否重要。一般来说，当温差超过50℃，或者表面温度超过100℃时，辐射就不能忽略。如果温差小、温度低，辐射占比通常不到10%，可以简化处理。

下面这个表格，是我常用的辐射换热估算参考：

最后，说一个实战中的小技巧。在做散热器设计时，我通常会把对流和辐射分开算，然后加起来。自然对流时，辐射可能贡献20%~30%的散热量。强制对流时，辐射占比会降到5%以下。但不管怎样，算一下总没坏处，至少心里有底。

好了，这一节的内容就到这里。热对流和热辐射，是热管理工程师的两把刷子。牛顿冷却定律是基础，辐射定律是进阶。掌握了它们，你就能应对大部分散热问题了。