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三方面阐述大功率LED散热器的提升空间

标签:三方面阐述大功率LED散热器的提升空间 阅读:115次

LED散热器

      众所周知,传热有三大途径——传导、对流、辐射。我们就以上方这一款颇有特色产品结构的散热器人手,来简单聊聊目前大功率LED散热器在设计与应用上,可能存在的提升空间。

  一、先来看传导。
  由于这类灯具一般本身并不与周边建筑直接接触,固所以传导并不能直接的将光源与电源所产生的热量“散”到周边环境中,但依然无比重要,因为这是将热量从光源和光源带走的最直接途径。早期的大功率散热器设计往往忽略了这一点,一味地提升散热器的鳍片面积,却忽略了热量根本没有传到鳍片之上。所以这一类散热器的鳍片温度非常低,仿佛散热效果出众,但稍微细心一些的客户就可以发现光源焊点温度很高,并没有起到散热器应有的作用。
  我们可以从热传导的基本公式进一步的来看看如何保证散热器的热传导效率。
  φ=-λA*(dt/dx)
  其中:
  λ为导热系数;
  A为接触面积;
  dT/dx为温度梯度,可以简略的理解为温差;
  让我们看回UFO型的Highbay散热器。其材料为压铸铝,牌号多为ADC12。其导热系数为 96W/mK,并不是特别突出。但由于压铸工艺限制鳍片截面积较大,所以不会产生较大问题。加上是一体成型的结构,在整个热传导的过程中仅有铝基板与散热器的接触热阻(光源内部的热阻以及光源与铝基板间热阻各有不同,此处暂不探讨),且接触面积相当大,可以说是不怎么需要担心导热问题。
  但是其中有几个问题如果处理不当也可造成较大的问题。
  其一是接触面的平整度。UFO型散热器尺寸较大,而压铸工艺产品内应力和热形变较大,如果不能做好退火与后加工的工作,一点点的形变都会造成铝基板与散热器间的接触面积大幅度减少,这会对导热产生重大的影响。
  其二是导热介质的选择与使用。导热介质是我们常用的“导热膏”的正式名称,往往在灯具的BOM成本中占比很小,许多企业只是依葫芦画瓢涂上些许。事实上导热介质的选择与使用对于灯具散热来说有着很大的影响。接触面即使加工过,在放大镜下依然不够平整。导热介质可以很好地填充接触面间的间隙。由于空气的导热系数实在是低到令人发指,仅为0.024W/mK,所以未能直接接触或者没有填充导热介质的位置几乎为热绝缘。
  虽然说很多企业都在接触面之间填充了导热介质,但由于多数导热介质本身的流动性较差,简单地涂一点导热膏靠人力或者机械连接压开的效果并不佳。而常见的导热介质的导热系数仅为1W/mK,远远低于铝材本身导热系数,所以导热介质在保证填充缝隙的情况下也是越薄越好。比较理想的情况是选用1.8W/mK以上的导热介质并且使用钢网来保证均匀和厚薄,才能充分发挥出散热器本身的功效。
  二、再来是对流。
  对流是绝大部分散热器的主要散热途径。大部分研发人员往往十分关注对流中的面积问题,却忽略了影响对流的其它几个因素。我们还是通过对公式的分解来考虑这个问题。
  φ= hA(Ts -T∞)
  h为对流系数,较为复杂;
  A为对流面积;
  为物体与环境温度之温差;
  A不必多说,大部分设计师在设计时都会考虑到面积越大越好。可过大的鳍片不仅仅增加了装配、生产难度,更是增加了成本。那么究竟多大的鳍片面积是合适的呢?相信这是每一个设计师都会头痛的难题。
  由于对流换热往往占到灯具散热的80%以上,这个问题需要全面的考量。
  对流系数涉及到非常多的细节,例如流体属性、流速、鳍片表面的形状、尺寸和相对位置等等等等。LED灯具散热多数为自然对流(即没有风扇等强迫空气流动的情况),如何在合理的条件下提升对流系数,在很多设计师眼中成了一种“玄学”,往往要通过相当大数量的计算机辅助数值模拟来取得较好的效果。在这里篇幅有限,就不展开讨论了,我个人总结出的几点经验可以总结为:“少阻碍,多粗糙,尽量改变流动状态”。
  少阻碍,即为尽量不要阻止气流的运动,提供自下而上的流动通道,从而提升气体的流动效率。例如题头所示的UFO型散热器,在边缘处开了较多的孔使得气体可以直接从下部流经鳍片,是可以有效地降低热沉的温升的。
  多粗糙,即为粗糙的表面处理。目前较多的厂家为了追求美感或者便于表面处理,选择了平滑的表面,这是不对的。气体和液体一样,在固体表面具有黏着性,光滑的表面使得气体流动时贴近固体的部分难以与外界的气体进行热交换和位置交换,这是不利于散热的。当表面粗糙度达到一定值时散热器的散热效率会有显著地提升。
  尽量改变流动状态这一点就相对难以解释。简单说来,大家可以参考在无风的环境下点燃的香烟所产生的烟气,很容易观察到刚刚离开烟头的位置烟气是直线上升的,而到达了一定高度后烟气突然混乱了起来,变得杂乱无章。
其实这是一个层流向湍流转变的过程。大家可以理解为在层流过程中气体是较为有序的向一个方向移动,像是高峰期的高速上的景象一般。而到了湍流过程中气体由于受到了扰动,或者速度太快,从而变得杂乱无章,如同高速上遇到了车祸大家纷纷绕道行驶,互相推挤的模样。很显然,湍流的情况下气流便不再区分内外,以一个相对混乱的方式前进,可以更加有效地让紧贴鳍片的气流与外层气流互相交换。这种转变可以很好地提升换热效率。目前常见的转变气体流动状态的手段有在鳍片上开孔、制造纹路或者制造筒型灯具迫使气流速度加快等。
  而温差自然不用多言,能够良好地实现导热,自然可以很好地保证散热器与气体的温差足够大,从而提升换热速度。
  根据以上的讨论我们可以看到UFO型散热器的几点缺陷:
  1、换热面积不足。受到压铸工艺的限制,UFO型散热器难以拥有较高的鳍片高度,也很难进一步提升鳍片密度,这导致了UFO型散热器的散热面积是不足的。
  2. 无法改变气体流动状态。同样受到工艺的限制,这一类散热器的鳍片表面很难做出复杂的纹路或者开孔,而鳍片高度短使得气体加温加速的距离不足,所以比较难改变气体的流动状态。
  3. 表面不够粗糙。上面已经分析过,此处不赘述。
      三、最后看看辐射传热。
  辐射传热在LED灯具的换热过程当中往往最多能起到5%左右的影响,这主要取决于散热器的颜色和表面粗糙度。各位朋友只要记住黑色粗糙表面即可有接近于理论值的辐射效率即可,市面上目前有多种产品均号称可以大幅提升辐射的换热效率,但其实即使提升了20%的辐射效率,也仅能在总体上提升1%不到,请各位自行斟酌。
  综上所述:我们可以看到受到市场青睐的UFO型散热器仍然在一些方面具有着较大的提升空间。事实也如文中推导出的结论一般,UFO型散热器的外壳最高温度往往超过75度,而铝基板焊点温度根据各家厂商的器件选择从80-100度不等,这并不能很好地保证产品的寿命。各位厂商如果能够根据文中的建议对手头上的UFO型散热器做出些许处理,相信能够在一定程度上做出更加稳定的产品,毕竟工业灯具更换麻烦,费用繁多,稳定性相较于性价比来说有着更为重要的意义。
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