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三方面阐述大功率LED散热器的提升空间

2016-09-12 10:57
华静一
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  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。

2

香烟的香气

  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。

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