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LED照明燈對(duì)流散熱之�(yōu)化與�(qiáng)�

編輯:chris 2011-07-01 17:19:12 瀏覽�1602  來源�

  一、引�

  散熱問題被認(rèn)為是LED照明燈中的一大技�(shù)難題,是LED燈光衰的根源。散熱成本也占了LED燈成本相�(dāng)部分,散熱成了LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎�

  散熱屬于傳熱中的一部分。人類對(duì)傳熱的研究已有上百年的歷史,上世紀(jì)60�70年代是人們對(duì)傳熱研究的頂峰時(shí)�,其主要?jiǎng)恿κ侨祟愰_�(fā)航空航天的需求。那�(shí)候傳熱技�(shù)�(lǐng)域聚集了許多�(yōu)秀人才,有不少傳熱研究人員成為知名人士,之后人們對(duì)傳熱研究熱情逐漸減小,目前傳熱學(xué)及技�(shù)的專�(yè)人員非常�。傳熱學(xué)及技�(shù)�(xiàn)已非常成熟,就像成熟的果子掉到地上被樹葉遮蓋,很難被人們看見,以致�(dāng)電子行業(yè),主要是�(jì)算機(jī)中的CPU�(fā)熱量突然大增�(shí),人們沒有去撥開地面上的樹葉,撿起那些熟透的果子,將人類成熟的傳熱知�(shí)�(yīng)用到電子行業(yè)�(nèi),而是另起爐灶,創(chuàng)造出不少新名詞:“主�(dòng)散熱�、“被�(dòng)散熱�、“熱沉”等聽起來不知是什么意�,英文“Sink”在傳熱�(xué)及技�(shù)中也是非常罕見的名詞�

  針對(duì)LED燈散�,當(dāng)前業(yè)�(nèi)缺乏�(duì)整�(gè)傳熱流程中的每�(gè)傳熱過程清晰的研究結(jié)�。從LED�(jié)�(diǎn)到空氣與散熱片表面的�(duì)流(自然)傳�,每�(gè)過程中的傳熱溫差(即熱阻)所占比例,哪�(gè)過程的溫差最�,以及影響每�(gè)傳熱過程的因�。如何降低其熱阻的技�(shù)方向更重要,尤其是熱阻最大的傳熱過程。使有了這些研究�(jié)�,還必須被結(jié)�(gòu)工程師熟知,�?yàn)閭鳠嶙罱K要通過�(jié)�(gòu)來實(shí)�(xiàn)�

  從傳熱學(xué)和技�(shù)來談,LED散熱并不�(fù)�,只涉及到傳熱學(xué)中非常小的部�?�(dǎo)熱傳熱和�(duì)流傳熱(主要是空氣自然對(duì)流傳熱),其中導(dǎo)熱傳熱可利用�(xiàn)成的傳熱�(jì)算機(jī)軟件,得到非常準(zhǔn)確的解,比如分析LED封裝芯片�(nèi)的溫度分布(傳熱過程�;分析從LED芯片到散熱肋片的�(nèi)部溫度分�。但是應(yīng)特別注意,對(duì)于對(duì)流傳熱,凡涉及到空氣流動(dòng),必須通過大量的實(shí)�(yàn)研究。用�(jì)算機(jī)軟件�(jì)�,只有學(xué)�(shù)上的意義,沒有實(shí)際工程意義,�?yàn)檎`差太�,目前還有不少公司熱衷推銷此類軟��

  �(dǎo)致LED散熱問題被復(fù)雜化的原因有:知�(shí)斷層,擁有成熟的傳熱知識(shí)的人員參與到LED散熱研究的甚少;缺乏專業(yè)的LED散熱研究�(jī)�(gòu),給行業(yè)�(nèi)明確正確的指�(dǎo)思想;研討會(huì)非常之多,但�(xué)�(shù)氣氛�,商�(yè)味較�。目前行�(yè)�(nèi)的專�(yè)散熱技�(shù)人員,許多是從計(jì)算機(jī)散熱方面�(zhuǎn)過來的,自然地將那方面常用的技�(shù)以及商業(yè)行為帶過�。比如,熱管技�(shù)被大量應(yīng)用到大功率LED照明燈(比如路燈)中,給那些原來為計(jì)算機(jī)芯片散熱器服�(wù)的熱管廠商創(chuàng)造了新的商機(jī),甚至還有提出采用回流式熱管。如果說LED燈散熱采用一般熱管像殺雞用了殺豬刀,那么采用回流式熱管就像殺雞舉起了宰牛刀。臺(tái)灣有一家公司發(fā)明的液態(tài)沉浸散熱技�(shù),這種缺乏基本�(duì)流傳熱知�(shí)的發(fā)�,竟還獲得國際發(fā)明展金獎(jiǎng)。國�(nèi)也有類似的企�(yè),并有一定的知名�,開�(fā)LED液冷散熱技�(shù),稱已申�(qǐng)�30多項(xiàng)專利。這些受汽車水箱啟�(fā)的發(fā)明�,并不清楚汽車發(fā)�(dòng)�(jī)采用水(液)冷技�(shù)的原因,水在散熱過程所起的作用�

  自然�(duì)流散�,無�(jī)械運(yùn)�(dòng),可靠性高,成本低,自然為LED燈首選。本文將闡述自然�(duì)流散熱原�,最大散熱量以及�(yōu)化設(shè)�(jì)的理�;論述LED燈散熱片的最佳應(yīng)用結(jié)�(gòu)?太陽花式散熱�,提出采用對(duì)流罩,利用煙囪效�(yīng)�(qiáng)化提高散熱熱量。經(jīng)大量的實(shí)�(yàn)及分析研究得到優(yōu)化和�(qiáng)�,可�(shí)�(xiàn)每瓦散熱用鋁不到4�,散熱成本顯著降�,以后將不用考慮散熱成本�

  �、自然對(duì)流散熱原理及�(yōu)�

  散熱過程最終是熱量傳到空氣中,由空氣流�(dòng)(對(duì)流)將熱量帶�,散熱片的輻射傳熱所占的分量非常�,因而不予考慮??諝饬鲃?dòng)帶走的熱量(即散熱量)Q�

  Q=Cp·M·(T2-T1)

  Cp——空氣的比熱,為定�

  M——空氣流�

  (T2-T1)——散熱片出口處空氣溫度T2與�(jìn)口處空氣溫度T1的溫�,出口處空氣溫度T2最高不超過散熱片的壁面溫度Tw,即(T2-T1)有最大可能的�(shù)��

  從公式(1)可以分析得�,最有效提高散熱量的方向是提高空氣流��

  自然�(duì)流傳熱過程中,驅(qū)�(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力是空氣受熱溫度升高,比重下降而產(chǎn)生的浮力F�

 ?�?�

  g——重力加速度

  ρ——空氣密�

  V——散熱器的體�

  TO——環(huán)境大氣溫�

  Ta——散熱器�(nèi)的空氣溫�

  空氣流經(jīng)散熱�,散熱片�(chǎn)生的阻力ƒ�

 ?�?�

  S——空氣流�(jīng)的表面積,即散熱片的散熱面積

  α——流�(dòng)阻力系數(shù),與散熱片的�(jié)�(gòu),空氣流�(dòng)形式密切相關(guān)

  u——空氣在散熱片內(nèi)的流�(dòng)速度,流速u越高空氣流量 也就越大�

  散熱片的散熱量Q還應(yīng)滿足以下公式�

 ?�?�

  H——對(duì)流傳熱系�(shù)

  ?。═w-Ta)——散熱片壁面溫度Tw與散熱片�(nèi)的空氣溫度Ta的差�,散熱片的溫度Tw受LED芯片�(jié)�(diǎn)溫度的限��

  以上四�(gè)公式約束著自然對(duì)流散熱過�,浮力F�(yīng)等于流動(dòng)阻力ƒ再加空氣�(dòng)量增加( )。降低流�(dòng)阻力ƒ,意味著空氣流速u2增加(即流量M增加�,以及浮力F要求下降。從公式�1)可以看�,流量M增加,有利于散熱量Q的提�,浮力F要求下降,從公式�2)可以分析得出,散熱片中的空氣溫度Ta可降�,又從公式(4)可以看出:有利散熱量Q的提�,這說明降低流�(dòng)阻力,從各方面來講,都對(duì)散熱量Q提高有利�

   

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