散热

定义

散热指高温物体把热量传递给温度较低的周围介质或另一物体的过程，本质上属于热量传递现象。只要存在温差，热量就会自发地从高温处流向低温处，这是散热得以发生的前提^[1]。在工程语境中，散热通常指把器件或设备产生的废热排向环境，使关键部位温度维持在安全范围之内。

研究热量传递规律的学科称为传热学，它关注单位时间内传递的热量与温差之间的关系，与只研究平衡态体系的工程热力学在研究对象和方法上有所区别^[1]。散热问题一般从强化传热、削弱传热（热绝缘）以及温度与传热控制三方面提出，具体问题还可以分为热传导、对流传热和辐射传热三类过程^[1]。

原理

热量传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。实际发生的散热过程常常是这三种方式的主次组合，很少有单一方式独立完成的情况^[1]。三种方式的驱动力都来自温度差，但机理与适用的介质各不相同。

热传导依靠物质内部微观粒子的振动、位移和相互碰撞来传递能量，物质本身并不发生宏观位移。气体中由分子热运动碰撞完成传热，绝缘固体主要靠晶格振动，金属则因自由电子数量多而导热能力更强，所以良导电体通常也是良导热体^[1]。热传导通常用傅里叶定律描述，一维形式下热流密度与导热系数、温度梯度相关：$q=-k\frac{dT}{dx}$。导热系数是材料属性，铜约为 400 W/(m·K)，空气只有约 0.026 W/(m·K)，绝热材料约在 0.02 至 0.04 W/(m·K) 之间^[2]。

热对流是流体宏观运动带动冷热流体掺混而实现的热量传递，只发生在液体和气体中。流体流过固体壁面时的换热称为对流传热，是流体宏观对流与微观导热的共同结果^[1]。按流动起因可分为自然对流与强制对流，前者依靠温度不均匀造成的密度差与浮力驱动，后者由水泵、风机等外力驱动，工程上常同时出现^[1]。对流换热可由牛顿冷却定律描述：$q=h(T_s-T_\infty)$；对流换热系数并非材料固有属性，自然对流空气约为 5 至 25 W/(m²·K)，强制对流空气约为 25 至 250 W/(m²·K)^[2]。

热辐射是物体因自身具有温度而以电磁波形式向外发射能量的现象，其显著特点是无需中间介质，可在真空中传播^[1]。辐射过程中热能先转变为辐射能，被其他物体吸收后再转变为热能，温度高于绝对零度的物体都在持续发射并吸收辐射能^[1]。黑体全辐射能遵循斯特藩-玻尔兹曼定律：$E_b=\sigma T^4$，其中 $\sigma=5.67\times10^{-8}\ \mathrm{W/(m^2\cdot K^4)}$；实际物体需乘以发射率 $\varepsilon$，即 $E=\varepsilon\sigma T^4$。由于与绝对温度的四次方成正比，温度越高，辐射散热所占份额越显著^[2]。

工程分析常借用电路模型处理串联的热阻，把温度差与热流之比视为热阻，从而把多层材料、多个界面的散热路径折算成热阻网络^[3]。判断物体内部温度是否可视为均匀，可用毕渥数 $Bi=hL_c/k$ 衡量；当 $Bi<0.1$ 时内外热阻差别悬殊，可采用集中热容法简化计算，$Bi$ 较大时必须求解内部温度分布^[2]。

发展历程

传热学的系统化始于对三种基本方式的定量描述。傅里叶热传导定律确立了导热与温度梯度的关系，牛顿冷却定律给出了对流换热的工程表达式，斯特藩-玻尔兹曼定律则刻画了辐射能与绝对温度的四次方关系，三者共同构成传热分析的基础框架^[3]。

20 世纪中期以后，散热技术随高热流密度器件的发展而不断演进，相变传热元件的出现是其中一项标志。热管技术由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的乔治·格罗佛(George Grover)于 1963 年提出，它利用工质在热端蒸发、冷端冷凝的相变过程传递热量，导热能力超过已知金属^[4]。在其基础上发展出的环路热管由蒸发器毛细芯产生的毛细压力驱动工质循环，不需要外加动力^[5]。

此后散热设计逐渐从单一元件走向系统化热管理。热阻概念与 JESD51 等封装热测试标准被引入电子封装领域，用结到环境、结到基板、结到外壳等热阻参数评价散热路径的优劣^[6]。有限元与计算流体力学的普及，使共轭传热分析能够同时求解固体导热与流体流动，成为散热结构优化的常用手段^[2]。

应用

电子器件与封装是散热技术最集中的应用领域之一。芯片工作时电能转化为热能，热量依次经过芯片、热界面材料、封装外壳和散热器传向环境，路径上每个环节都会形成热阻，热设计的目标就是降低总热阻^[7]。风冷散热器通过鳍片扩大与空气的接触面积，再由风扇驱动强制对流带走热量；热管与均热板则先以相变方式把热量从局部热点扩散到大面积散热面^[8]。

动力机械与航空航天同样依赖散热设计。燃气涡轮发动机的燃烧室、涡轮和液体火箭发动机推力室采用对流传热方式进行冷却，飞行器防冰、气动加热防护、滑油散热以及电子控制设备恒温装置都需要运用传热学理论^[9]。在接近真空的太空环境中没有空气可供对流，卫星热设计主要依靠辐射，常配合热管与辐射面板均衡向阳面与背阳面的温差^[2]。

日常生活与建筑领域中的散热问题同样普遍。暖水瓶以双层镀银玻璃反射红外辐射、以夹层真空阻断对流、以软木塞降低导热，从三条途径同时抑制散热；屋顶、墙壁和门窗则分别削减辐射、对流与传导，起到隔热作用^[10]。双层中空玻璃窗利用气体夹层阻断导热，再用低辐射镀膜反射热辐射，是建筑节能中的典型做法^[3]。

在低温与人员防护场合，散热控制的方向相反。储存液氮等低温液体的容器采用真空夹层加多层反射薄膜的绝热结构，以辐射屏蔽方式阻止外部热量进入；消防防护服外层采用高反射材料，把大部分辐射热反射出去^[3]。人体散热则兼有对流、辐射与汗液蒸发，环境湿度高时蒸发受阻，散热效率随之下降^[3]。

局限

散热能力受物理规律与材料属性的双重限制。在空气中，导热系数只有约 0.026 W/(m·K)，直接依靠空气导热的散热强度远低于对流换热，因此在多数金属散热器的性能评估中，与空气之间的导热贡献常被忽略^[11]。辐射换热在一般环境温度下所占比例较小，通常只有物体间温差很大时才成为主要方式，其效果还强烈依赖表面发射率，抛光铜在 373 K 时黑度仅约 0.052^[11]。

散热器并非越大越好。散热量的提升依赖散热器表面与介质之间的温差，尺寸过大时边际收益下降，散热效率变低；尺寸过小则冷却不足，表面温度过高，其散热量与不装散热器时相差不大^[8]。积尘会改变表面状态并降低导热系数，因为灰尘多为隔热材料，散热器鳍片积尘后气流的通畅性和换热能力都会下降，效率出现明显损失^[12]。

相变传热元件也存在运行边界。环路热管的正常循环要求毛细芯提供的毛细压力与工质在回路内的总压降相平衡；一旦总压降超过毛细芯所能提供的最大毛细压力，蒸气就会击穿毛细芯进入液体干道，循环无法维持，器件不能正常工作^[5]。此外，热管两端温度趋于相等时蒸气扩散停止，传热也随之减弱^[4]。

参见

• 传热学 —— 研究温差引起热量传递规律的学科，是散热分析的理论基础。

• 热传导 —— 依靠微观粒子振动与碰撞传递热量的方式，是散热路径中的基本环节。

• 热对流 —— 借助流体宏观运动带走热量的方式，风冷散热的核心机制。

• 热辐射 —— 以电磁波形式传递热量、可在真空中进行的方式。

• 热管 —— 利用工质相变实现高效传热的元件，广泛用于电子器件散热。

• 热阻 —— 衡量传热路径阻碍程度的参数，是散热设计的主要评价指标。