从零开始学散热II:不止于热(前言-目录-后记)

前言

       2014~2020年,我将自己整理的工作笔记汇总成了《从零开始学散热》一书。书籍出版后,受到了许多同行的谬赞、批评和指正,感触良多。2019年,我开始参与热管理公司的运营工作,有机会接触到更多类型电子产品的热管理问题,越来越深刻地感受到工程问题无穷无尽的复杂性和不确定性,有了许多新的感悟。

       在精益设计的要求下,技术工作面临巨大而复杂的不确定性和愈加模糊的边界条件。理解并判断这些不确定性到底能带来多大的热差异,需要具备跨及许多学科的知识储备及丰富的工作经验,难度极大。在设计余量越来越小及存量市场竞争越来越激烈的趋势下,合理地保证产品的热安全性变得越来越难。随着产品功能的多样化和尺寸的紧凑化,热物料的引入考虑的因素也变得更复杂。除了最基本的热功能,部分场景下还需要兼顾电磁兼容、光信号传输、冲击振动、液体腐蚀等因素。这增加了温度控制方案的设计难度和验证难度。

       人工智能技术的快速发展,让热设计工作也有了新的思路。AI和人结合,把经验数据转化为设计工具,通过数字孪生体在产品全生命周期内实施更科学高效的热控制,是热设计方案可能的演进趋势。同时,那些已经固化下来的传热规律、流体理论,AI显然比大部分工程师掌握的更好,热设计工程师的核心能力需要演进到对不确定性的识别和对热设计边界的清晰描述上,才能在AI时代找到更好的价值定位。

       热设计是产品设计的一部分,更是商业的一部分。除了国防军工等特殊领域外,技术上再成功的产品,如果不能盈利,也必然走向失败。我曾在较大的终端公司从事热设计研发工作,也有在热管理物料企业从事经营管理的经验。我接触了各种规模、各种风格的终端公司和供应链端企业,意识到了商业因素对热设计研发工作的巨大影响。这些感触某种程度上重塑了我对技术和商业的认知,甚至极大影响了我的世界观。

       本书总体就是围绕上述三个话题展开,期望对各位同行的工作有些启发。

       科技飞速进步,未来充满不确定性。作者水平有限,书稿虽几经审改,但其中不足甚至错误之处必不少见,恳请读者不吝赐教。

 

 

陈继良Leon Chen

Tel/微信:18503009673

E-mail: leonchen@resheji.com

2024-6-29


后记

       从学生时代开始,我相对深入学习的需要热管理的产品涉及化工设备、增强型地热系统、通讯设备、芯片封装、能源装备、消费类电子。综合下来,我的感受是,热问题太复杂了。当主导了热管理公司的经营工作之后,我发现实际上产品的设计还需要叠加商业因素。对一个产品,商业和技术必须取得绝妙的平衡,一个公司才能赢得存在的机会。

出于习惯,我喜欢记录和总结。本书旨在分享我对一些问题的学习所得和思考结论。期望通过这些分享,能给你带来一些有益的启发。

      社会的进步效率很大程度上取决于资源和收益的分配机制,市场经济被证明是一种效果较好的方式。绝大多数公司的经营目标是盈利(甚至是唯一目标),需求调研、投入研发、生产加工、市场推广等各个动作都是为了达成这一目标。将这些环节都串联起来,我们会发现,长期或宏观角度上看,技术进步是创造增量价值、获取竞争胜利的最重要手段,但短期内或微观角度上看却并不一定如此。

       在本书的最后一章,我描述了一些比较负面的信息。我没有任何蓄意的指向性。有些朋友劝我删除这些内容,以免引起非议,但我还是坚持保留了。我认为这些内容对于读者是有帮助的(尤其是对于刚步入社会、思想相对单纯的学生而言),我愿意承担因此带来的名誉风险。实际上,这些负面的现象在各行各业、各个国家都普遍存在。商业的运行逻辑没有道德水平高低之分,只有赢家和输家。真实的世界是一种奇妙的混合,我们道德意义上的好坏现象都充斥其中,而商业上的成败则独立于道德层面的善恶。弄虚作假、蓄意抄袭、积极投入研发、深入钻研工艺的现象在各行各业都在同时发生。很多公司通过抄袭或造假取得成功,因为这样做在某种程度上使得它们的经营成本更低。很多公司是既借鉴已有的技术,又在其基础上做改进,这也不能单纯视为抄袭。如同我们个人在工作中一样,抢夺别人的功劳或蓄意夸大自己业绩的人,短期内获得更快晋升的现象很普遍。水至清则无鱼,人至察则无徒。工程师的价值观通常较纯粹,看不惯这种抄袭或抢功。但在复杂现象面前,模糊化的处理可能才是合理的,否则将陷入抑郁,更不利于问题的解决。

       用更低成本创造更多价值是社会进步的根本动力,对于个人和公司都是如此。如果一个公司内根本没人创造功劳,那抢功者显然无功可抢。公司也是如此,抄袭或造假的前提是有公司已经做出性能较好的产品作为被模仿的对象。因此,持续创造价值,不过分关注“功劳”被谁拿走,或许能帮助我们放平心态。

       对于在一个组织或团队中工作的个人,一些现存的流程和机制可能不利于产品的设计,其功劳的分配可能对有些角色也不公平,我们应当思考如何在这样的组织中发挥自己的优势,通过事实证明自己的价值,并尝试优化这些机制。实际上,这种优化动作并不只是为自己争取合理利益,它对这个机制本身或整个组织都是有益的。双赢是赢得长久生存机会的唯一方式。但机制的优化不是骤然发生的,它需要大量的事实才能被调整。所以,在真正推动机制变革之前,推动者必须要付出巨大的艰辛。在这样的价值观驱动下,作为个人,才能取得长久而安全的职业成功。反过来,当一个组织长久地不能给真正创造价值的人以合理回报,这个组织将会消亡,你可以通过选择新的组织来获得合理的报酬,而在上一个组织中取得的各种成绩,就是你最好的求职证明。无数的社会事实告诉我们,价值创造者未必是利益获得者,因此,采纳本书中的建议,可能可以帮助你成为更好的价值创造者,但你仍然未必是利益获得者。

       最后,我必须重申,热科学博大精深,这本书中的许多内容是非常主观、未经充分实践论证的,因此未必是正确的。在本书撰写期间,热设计的许多技术也在持续变化,尤其是两相流部件、浸没冷却技术、热管理材料技术、热泵技术等,因此本书陈述的一些带有显著性能参数和工程应用色彩的观点可能在未来数年内过时甚至已经过时。我个人是创业新兵,技术背后的商业逻辑改变了并仍在持续改变我的许多认知,因此本书最后一章表达的对商业因素的观点也未必正确。

       我将非常感激能就本书不认同处向我提出讨论的读者。我们的沟通会让彼此都更接近正确的观点,促进双方的进步。实际上,撰写此书的最重要目的,就是激发彼此的讨论,扩展我们的知识边界,让更合理的技术浮现。

       做一个长期主义者,做一个价值创造者,坚持正道取胜。

 

目 录

前言·· II

目 录·· III

第一章 引言·· 8

1 热管理问题的本质·· 8

2 热管理问题的特征和趋势·· 9

3 本书的局限性·· 12

参考文献·· 14

第二章 热设计中常用材料的关键物理性质解读·· 15

1 导热系数·· 15

2 硬度·· 18

3 机械强度·· 24

3.1 晶体和非晶体的概念·· 25

3.2 晶体缺陷·· 26

3.3 金属性能的晶体解释·· 27

3.4 材料受力破坏过程和疲劳失效·· 27

4 比热容、密度、相变潜热和导温系数·· 30

5 电阻率和击穿电场强度·· 33

6 触摸温度体验和材料热物性的关联·· 34

参考文献·· 37

第三章 热设计角度理解导热界面材料·· 40

1 有机硅导热界面材料的材质构成·· 40

2    有机硅导热界面材料的渗油和挥发·· 41

3    最小压缩厚度·· 43

4 特殊导热界面材料·· 44

4.1导热石墨泡棉·· 44

4.2碳基导热垫片·· 45

4.3 金属基导热界面材料·· 47

4.4 导热吸波复合界面材料·· 53

4.5 导热绝缘粘接材料·· 55

5    定压力设计和定间隙设计对导热材料选型设计的影响·· 59

6 导热界面材料总结和发展趋势·· 60

参考文献·· 62

第四章 热设计角度理解散热器·· 63

1 一体成型散热器·· 63

1.1 型材散热器·· 63

1.2 压铸散热器·· 64

1.3 铲齿散热器·· 65

2    非一体成型散热器·· 66

2.1扣齿焊接散热器·· 66

2.2 折叠齿焊接散热器·· 67

2.3 嵌齿散热器·· 68

3 复合型散热器·· 68

4 总结·· 70

参考文献·· 71

第五章 半导体制冷片及特殊两相流传热部件·· 72

1 半导体制冷片·· 72

1.1半导体制冷片内部的热量相关效应·· 72

1.2最大温差和最大制冷量的物理意义·· 76

1.3电子产品中温差发电的可行性思考·· 77

1.4 从热电效率谈芯片产热机制·· 77

1.5 TEC外部冷却系统协同设计及虚拟案例展示·· 79

1.6 TEC在热管理领域中的应用·· 84

2特殊两相流部件·· 86

2.1三维均温板·· 86

2.2吹胀型均热板·· 87

2.3热虹吸管或重力热管·· 88

2.4环路热管和环形均温板·· 89

2.5热柱·· 91

2.6脉动热管·· 92

参考文献·· 93

第六章 液冷设计·· 95

1 液冷设计的关键问题点·· 95

2 冷却液的选择·· 95

2.1关键热学性能参数·· 95

2.2电学参数·· 100

2.3化学兼容性·· 101

3 冷板的设计·· 104

3.1 冷板的类型·· 105

3.2 冷板设计中考虑的因素·· 107

4 循环管路的设计和材质选择·· 108

4.1 聚四氟乙烯液冷管·· 108

4.2三元乙丙橡胶管·· 109

4.3聚酰胺软管·· 109

4.4不锈钢管、铝合金管、铜管、钛合金管等金属管材·· 110

4.5液冷管路径设计·· 111

5 液冷接头·· 111

6 冷量分配单元的设计·· 115

6.1 泵·· 116

6.2 换热器·· 116

6.3 内部管路·· 118

6.4 控制系统和传感器·· 118

7 冷水机的设计·· 120

8 歧管设计·· 120

9 漏液检测和异常情况应对·· 121

10 关于液体冷却的几点思考·· 121

10.1 总热阻占比的再分配·· 122

10.2 热风险点的递进·· 124

10.3 数据中心冷源介质的循环路径和未来数据中心的可能性·· 125

参考文献·· 127

第七章 数通设备硬件架构和热设计特征·· 130

1 常规电子产品的工作原理概述·· 130

2    数据中心类产品热设计·· 133

2.1 散热器·· 134

2.2 导热界面材料·· 139

2.3    风扇·· 140

2.4 液冷及其节能原理·· 140

3    光模块散热·· 144

4    关于浸没冷却方案和冷板冷却方案的几个观点·· 150

参考文献·· 154

第八章 新能源系统相关产品热管理·· 155

1 电池的热问题·· 155

1.1 锂离子电池·· 155

1.2 液流电池和燃料电池·· 155

2 功率半导体的热问题·· 158

3 新能源汽车热管理·· 164

4 储能设备·· 170

5 变流器·· 177

6 全生命周期热管理·· 179

参考文献·· 181

第九章 不止于热·· 183

1 简易风冷插箱热设计虚拟案例·· 183

1.1    基础边界条件·· 183

1.2    初步设计方案·· 183

1.3    优化设计·· 184

1.4    测试定案·· 188

1.5    案例追问·· 188

2    深入理解边界条件·· 189

3    建立属于自己的小模型·· 191

3.1    理解温度影响因素·· 192

3.2 几个表征产品热风险的指标·· 193

4    理性对待不确定性·· 195

5 一些宏观问题的通俗解释·· 197

6 热设计研发体系·· 198

6.1 研发流程的工程性理解·· 198

6.2 热设计团队研发配置·· 201

7 商业因素对研发工作的影响·· 203

8 如何建设热设计研发体系·· 208

8.1 需求分析:热设计有多被需要·· 208

8.2 方案设计:表单模板和审核机制·· 208

8.2.1 分析公司状态,理解总研发体系所处阶段·· 209

8.2.2 分析公司文化,研发流程需要各方同频·· 211

8.3 测试验证:市场表现说了算·· 213

8.4 回归分析:持续成长是体系最重要的特征·· 213

9 在研发体系中实现相互成就·· 215

9.1 企业价值观与个人价值观要匹配·· 215

9.2 体系要优先保障价值创造者的利益·· 216

9.3 用建设体系的思维建设自己·· 217

10 沟通能力在热设计工作中的价值正在迅速上升·· 217

11 总结·· 218

参考文献·· 219

附:热设计工程师自测思考题·· 220

1 题目部分·· 220

2 参考回复和部分对应解释·· 243

致谢·· 254

后记·· 255

作者简介·· 257
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陈老师的热设计书籍和课程,是行业经典,重点推荐。
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