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        三方面闡述大功率LED散熱器的提升空間

        標簽:三方面闡述大功率LED散熱器的提升空間 閱讀:500次

        LED散熱器

              眾所周知,傳熱有三大途徑——傳導、對流、輻射。我們就以上方這一款頗有特色產品結構的散熱器人手,來簡單聊聊目前大功率LED散熱器在設計與應用上,可能存在的提升空間。

          一、先來看傳導。
          由于這類燈具一般本身并不與周邊建筑直接接觸,固所以傳導并不能直接的將光源與電源所產生的熱量“散”到周邊環境中,但依然無比重要,因為這是將熱量從光源和光源帶走的最直接途徑。早期的大功率散熱器設計往往忽略了這一點,一味地提升散熱器的鰭片面積,卻忽略了熱量根本沒有傳到鰭片之上。所以這一類散熱器的鰭片溫度非常低,仿佛散熱效果出眾,但稍微細心一些的客戶就可以發現光源焊點溫度很高,并沒有起到散熱器應有的作用。
          我們可以從熱傳導的基本公式進一步的來看看如何保證散熱器的熱傳導效率。
          φ=-λA*(dt/dx)
          其中:
          λ為導熱系數;
          A為接觸面積;
          dT/dx為溫度梯度,可以簡略的理解為溫差;
          讓我們看回UFO型的Highbay散熱器。其材料為壓鑄鋁,牌號多為ADC12。其導熱系數為 96W/mK,并不是特別突出。但由于壓鑄工藝限制鰭片截面積較大,所以不會產生較大問題。加上是一體成型的結構,在整個熱傳導的過程中僅有鋁基板與散熱器的接觸熱阻(光源內部的熱阻以及光源與鋁基板間熱阻各有不同,此處暫不探討),且接觸面積相當大,可以說是不怎么需要擔心導熱問題。
          但是其中有幾個問題如果處理不當也可造成較大的問題。
          其一是接觸面的平整度。UFO型散熱器尺寸較大,而壓鑄工藝產品內應力和熱形變較大,如果不能做好退火與后加工的工作,一點點的形變都會造成鋁基板與散熱器間的接觸面積大幅度減少,這會對導熱產生重大的影響。
          其二是導熱介質的選擇與使用。導熱介質是我們常用的“導熱膏”的正式名稱,往往在燈具的BOM成本中占比很小,許多企業只是依葫蘆畫瓢涂上些許。事實上導熱介質的選擇與使用對于燈具散熱來說有著很大的影響。接觸面即使加工過,在放大鏡下依然不夠平整。導熱介質可以很好地填充接觸面間的間隙。由于空氣的導熱系數實在是低到令人發指,僅為0.024W/mK,所以未能直接接觸或者沒有填充導熱介質的位置幾乎為熱絕緣。
          雖然說很多企業都在接觸面之間填充了導熱介質,但由于多數導熱介質本身的流動性較差,簡單地涂一點導熱膏靠人力或者機械連接壓開的效果并不佳。而常見的導熱介質的導熱系數僅為1W/mK,遠遠低于鋁材本身導熱系數,所以導熱介質在保證填充縫隙的情況下也是越薄越好。比較理想的情況是選用1.8W/mK以上的導熱介質并且使用鋼網來保證均勻和厚薄,才能充分發揮出散熱器本身的功效。
          二、再來是對流。
          對流是絕大部分散熱器的主要散熱途徑。大部分研發人員往往十分關注對流中的面積問題,卻忽略了影響對流的其它幾個因素。我們還是通過對公式的分解來考慮這個問題。
          φ= hA(Ts -T∞)
          h為對流系數,較為復雜;
          A為對流面積;
          為物體與環境溫度之溫差;
          A不必多說,大部分設計師在設計時都會考慮到面積越大越好??蛇^大的鰭片不僅僅增加了裝配、生產難度,更是增加了成本。那么究竟多大的鰭片面積是合適的呢?相信這是每一個設計師都會頭痛的難題。
          由于對流換熱往往占到燈具散熱的80%以上,這個問題需要全面的考量。
          對流系數涉及到非常多的細節,例如流體屬性、流速、鰭片表面的形狀、尺寸和相對位置等等等等。LED燈具散熱多數為自然對流(即沒有風扇等強迫空氣流動的情況),如何在合理的條件下提升對流系數,在很多設計師眼中成了一種“玄學”,往往要通過相當大數量的計算機輔助數值模擬來取得較好的效果。在這里篇幅有限,就不展開討論了,我個人總結出的幾點經驗可以總結為:“少阻礙,多粗糙,盡量改變流動狀態”。
          少阻礙,即為盡量不要阻止氣流的運動,提供自下而上的流動通道,從而提升氣體的流動效率。例如題頭所示的UFO型散熱器,在邊緣處開了較多的孔使得氣體可以直接從下部流經鰭片,是可以有效地降低熱沉的溫升的。
          多粗糙,即為粗糙的表面處理。目前較多的廠家為了追求美感或者便于表面處理,選擇了平滑的表面,這是不對的。氣體和液體一樣,在固體表面具有黏著性,光滑的表面使得氣體流動時貼近固體的部分難以與外界的氣體進行熱交換和位置交換,這是不利于散熱的。當表面粗糙度達到一定值時散熱器的散熱效率會有顯著地提升。
          盡量改變流動狀態這一點就相對難以解釋。簡單說來,大家可以參考在無風的環境下點燃的香煙所產生的煙氣,很容易觀察到剛剛離開煙頭的位置煙氣是直線上升的,而到達了一定高度后煙氣突然混亂了起來,變得雜亂無章。
        其實這是一個層流向湍流轉變的過程。大家可以理解為在層流過程中氣體是較為有序的向一個方向移動,像是高峰期的高速上的景象一般。而到了湍流過程中氣體由于受到了擾動,或者速度太快,從而變得雜亂無章,如同高速上遇到了車禍大家紛紛繞道行駛,互相推擠的模樣。很顯然,湍流的情況下氣流便不再區分內外,以一個相對混亂的方式前進,可以更加有效地讓緊貼鰭片的氣流與外層氣流互相交換。這種轉變可以很好地提升換熱效率。目前常見的轉變氣體流動狀態的手段有在鰭片上開孔、制造紋路或者制造筒型燈具迫使氣流速度加快等。
          而溫差自然不用多言,能夠良好地實現導熱,自然可以很好地保證散熱器與氣體的溫差足夠大,從而提升換熱速度。
          根據以上的討論我們可以看到UFO型散熱器的幾點缺陷:
          1、換熱面積不足。受到壓鑄工藝的限制,UFO型散熱器難以擁有較高的鰭片高度,也很難進一步提升鰭片密度,這導致了UFO型散熱器的散熱面積是不足的。
          2. 無法改變氣體流動狀態。同樣受到工藝的限制,這一類散熱器的鰭片表面很難做出復雜的紋路或者開孔,而鰭片高度短使得氣體加溫加速的距離不足,所以比較難改變氣體的流動狀態。
          3. 表面不夠粗糙。上面已經分析過,此處不贅述。
              三、最后看看輻射傳熱。
          輻射傳熱在LED燈具的換熱過程當中往往最多能起到5%左右的影響,這主要取決于散熱器的顏色和表面粗糙度。各位朋友只要記住黑色粗糙表面即可有接近于理論值的輻射效率即可,市面上目前有多種產品均號稱可以大幅提升輻射的換熱效率,但其實即使提升了20%的輻射效率,也僅能在總體上提升1%不到,請各位自行斟酌。
          綜上所述:我們可以看到受到市場青睞的UFO型散熱器仍然在一些方面具有著較大的提升空間。事實也如文中推導出的結論一般,UFO型散熱器的外殼最高溫度往往超過75度,而鋁基板焊點溫度根據各家廠商的器件選擇從80-100度不等,這并不能很好地保證產品的壽命。各位廠商如果能夠根據文中的建議對手頭上的UFO型散熱器做出些許處理,相信能夠在一定程度上做出更加穩定的產品,畢竟工業燈具更換麻煩,費用繁多,穩定性相較于性價比來說有著更為重要的意義。
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