LED 行业中的传热学问题之一热阻被滥用.pdf

1 LED 行业中的传热学问题之一行业中的传热学问题之一 热阻 概念被滥用 热阻 概念被滥用 秦 彪 深圳市秦博核芯科技开发公司 Tel深圳留学人员 龙岗 创业园二园 306 室 Email qinb 摘要摘要 本文阐述了 热阻 概念在 LED 散热分析中滥用问题 通过对肋片的散热过程 应用两种方法分 析对比 说明 LED 行业中的热阻分析法 将一简单的传热过程复杂化 通过应用正统传热学中的肋效率概念 以及简单书本知识 分析得出 板式热管 又称平板蒸汽腔 应用于 LED 散热是一种扯蛋之事 LED 散热技术 创新固然重要 但传热学基础知识补课更重要 关键词关键词 LED 散热 热阻 热管 一 引一 引 言言 LED 由于其节电 环保 长寿命 被公认为人类 下一代照明技术 LED照明应用普及的最大阻碍是LED 灯价格高 价格高又是由于散热问题所致 散热属于传热中的一部分 人类对传热的研究 已有上百年的历史 上世纪 60 70 年代是人们对传 热研究的顶峰时期 其主要动力是人类开发航空航天 的需求 那时代 传热技术领域聚集了许多优秀人才 出了不少知名人士 随着传热学及技术日益成熟 人 们对传热研究热情逐渐减小 目前传热学及技术的专 业人员非常少 传热学及技术已是非常之成熟 就像 似成熟的果子 掉到地上被树叶遮盖 不被现在的人 们看见 LED 散热中 温度不高 不超过 100 属常 温传热 无相变等复杂过程 功率也不大 单颗 LED 晶片也就是 1 2W 从传热学和技术来讲 LED 散热 非常简单 只涉及到传热学中非常小的部分 导热传 热和对流传热 主要是空气自然对流传热 其中导 热传热就可利用现成的传热计算机软件 得到非常准 确的解 导致 LED 散热简单问题被复杂化的原因有 知 识断层 拥有成熟的传热知识的人员参于到 LED 散热 研究的甚少 人们没有去拔开地面上的树叶 捡起那 些熟透的果子 将人类成熟的传热知识移植到电子行 业内 而是重新育种 栽树 LED 行业 或者说电子行业 中的传热学可以说 是另起炉灶的 从该行业所创造出的新名词 主动 散热 被动散热 就能说明这一点 还有行业中 非常熟悉的名词 热沉 听起来不知是什么意思 英文 Sink 在传热学及技术中也是非常罕见的名 词 以下将已有的成熟的传热学称为 正统传热学 而 LED 行业 电子行业 中的传热学称为 行业传热 学 行业传热学的分析问题思路和理念与正统传热 学不一致 本文将从行业 热阻 概念的应用来分析 LED 行业中传热学的问题 热阻 概念在行业传热学中被滥用 明显表现 出 电子电路学 的烙印 将整个 LED 散热过程分解 成数多 热阻 元件的串联与并联 如图 1 所示的 LED 散热过程热阻分析图 在 LED 行业非常普遍 就像电 路中的电阻一样 在电子电路中 串联电路中的电阻 不分前后 并联电路中的电阻不分左右 但传热过程并不是这 样 在电子电路中 电阻的串并联关系是非常明确的 电阻的阻值 基本是人为设定 或用仪器可直接测量 出或推算出 但在传热过程中 特别是在 LED 散热过 程中 没有明确清晰的热阻串并联关系 不能简单计 算出其热阻数值 如果采用 热阻 法 来计算分析 就将简单问题复杂化 正统传热学中很少用 热阻 概念来分析传热过程 2 以下通过两实例分析比较来进一步说明 二 热阻法 与正统传热学法对比二 热阻法 与正统传热学法对比 图 2 所示的直肋普遍被用于散热器 热交换器 中的扩展换热面 分析其传热过程非常有意义 A A 正统传热学法 正统传热学法 1 2 图 3 所示 分析肋片上 x x 处长度为 x d的一微 元段的热平衡 应用傅立叶导热定律和牛顿对流换热 公式 建立起微分方程式 然后在规定的边界条件下 求出微分方程式的特解 热平衡方程 CdxX QQQ 对流换热量 dXUQC 根据傅里叶定律有 dXdfQX dXdXddXdfQ X dX 各式代入热平衡方程得 222 mdXd fUm X 处的肋片温度与环境空气的差 t t U 截面积周长 截面面积 对流换热系数 导热系数 可得下列形式的特解 mkmxmkmx eeee 22 0 1 mhchhxmch 0 肋片的散热量 应是肋根 X 0 处的导热量 则得 0 x dxdfQ mhshmhshmf 0 mhthmu 0 肋效率肋效率 f 实际散热量 假设整个肋表面处 于肋基温度下的散热量 表征肋片散热量的有效程 度 应 用 于 等 截 面 直 肋 其 肋 效 率 为 mhmhth f 对于直肋 一般肋片深度 z 比其厚度 要大的 多 所以 hhhfUmh 212 图 4 示出等厚度直肋和环肋的肋片效率曲线 2 以上的内容在任何一本传热学中都有详细推导 和阐述 图 4 所示的肋效率曲线意义非常大 将指导我们 分析出 肋片材料不同 表现在导热系数 不同 肋片尺寸及材料用量 表现在肋片厚度 和高度 h 对肋效率的影响关系 3 一 若肋片材料不变 肋厚 不变 对流传 热系数 不变 1 增加肋高 h 一倍 使参数h 由 0 5 增 加到 1 0 整个肋片散热量增加量 h 0 5 可得肋效率 f0 5 0 86 散热 量 Q0 5 f0 5 S0 5 h 1 0 可得肋效率 f1 0 0 64 散热 量 Q1 0 f1 0 S1 0 5 00 1 2SS Q1 0 Q0 5 2 0 64 0 86 1 49 以上说明 肋片材料用量增加了一倍 尺寸增加 了一倍 散热面积增加一倍 而整个肋片散热量才增 加了 49 2 增加肋高 h 0 5 倍 使参数h 由 1 0 增加到 1 5 计算可得 Q1 5 Q1 0 1 09 可见 肋片材料用量增加了 0 5 倍 尺寸增加了 0 5 倍 散热面积增加了 0 5 倍 而散热量才增加了 9 以上说明 为了增加散热面积而增加肋高 h 时 必须考虑参数h 的数值 否则散热量得不到 有效提高 取h 在 0 5 1 0 比较合适 二 若肋片材料 不变 肋高 h 不变 对流 传热系数 不变 肋片的厚度减小一半 则参数 h 由原值 0 5 增加到 0 71 而肋效率由 0 86 减小到 0 785 0 785 0 86 0 91 由此可见 肋片 厚度减半 即肋片材料用量减半 而肋片散热量为原 值的 0 91 只降低了 9 也就是说减少肋片厚度 是减少肋片材料用量非常有效的方式 这就是为什么 空调中 冷凝器和蒸发器 中的肋片厚度都在 0 1mm 左右 非常薄 三 如果肋片高 h 和肋片厚 不变 对流传 热系数 不变 改变导热系数 即改变肋片材料 由铜材改用铝材 参数h 原值为 0 5 改用 铝 材后 参数h 增加 8 15 0 0 67 得肋效 率降低到 0 79 为原值的 92 即肋片散热量只减小 了 8 这说明虽然铜的导热性能高 近似于铝的两 倍 但铜肋片改为铝肋片 散热量也只减少了 8 但铜的造价是铝的数倍 B B 热阻法分析 热阻法分析 图 5 所示 将长为 L 的平板直肋分成 n 等份 直肋的宽度 1 可得 肋片的散热量 10 1 QQQ C 1 1C Q为第一段的对流换热量 RTTQC 11 1 nCR21 对流热阻 1 1 Q为第一段的导热换热量 C RQ 011 nLRC 1 导热热阻 肋片的散热量也可等于整个肋片对流换热量 n CCC QQQQ 21 0 RTTTTTT n 21 RnTTTT nn 21 从以上公式和方程中 无法求出 T1 T2 Tn 即肋片内的温度分布 也就求解不出散热量 0 Q 更 不可能得到指导我们分析出肋片材料 尺寸等对散热 量的影响关系 说明用行业传热学的 热阻法 来分 析简单的传热过程 平板直肋的散热 都得不出结 果 如果针对 LED 散热中稍微复杂的过程 则就会把 本来简单的问题复杂化 三 板式热管在三 板式热管在 LEDLED 散热中散热中的分析的分析应用应用 当面对 LED 散热头痛之事 涌现出许许多多被称 为 革命性 或 最先进 的散热技术 用于计算机 本本 CPU 散热的管式热管被引进来了 板式热管 4 也称平板蒸汽腔 在 CPU 散热中没有找到 婆家 但在 LED 散热中成了座上宾 图 6 就示出了板式热管 在 LED 散热中的应用 以下将采用上节中的正统传热 学方法对其进行分析 热管 无论管式或板式 仅仅是热量传输装置 是利用工质 一般为水 在热端 蒸发段 被加热 蒸发成蒸汽 蒸汽流到冷端 冷凝段 凝结成液体 水 液态工质依靠重力或毛细管作用又回流到蒸 发段 这样将热量不断地从热端传输到冷端 任何液体蒸发存在有过热度 热过度 与热流密度和蒸发表面结构有关 热流密度高 过热 度也高 有实验结果 3 当热流密度为 10KW m 2时 非常低的热流密度 光滑铜管外表面上的沸腾过 热度达到 5 6 采用多孔表面 烧结铜热管内就 是多孔结构 过热度可降低到 1 2 考虑到热管内工质回流为毛细管虹吸回流 以及 冷凝段内的过冷度 以及其他因素 热管蒸发段 热 端 和冷凝段 冷端 之间温差要有 3 之多 图 6 所示的采用了板式热管的 LED 散热器中 散热片基板 处的温度 T1和 LED 光源基板处的温度 Tw 之间的温度 差应该有 3 之多 如果设计 LED 光源基板处的温度 Tw 和环境温度 T0之差为 25 再引入类似上节中的 肋效率概念 表征热管的有效程度 即热管效率 实际散热量 理想 热管两端无温差 散热量 散热片基板与环境空气温差 LED 光源基板 与环境空气温差 25 3 25 0 88 如果不用热管 LED 光源基板直接贴在散热片基 板上 如图 7 所示 散热片为圆形 外径为 90 mm LED 光源基板外径为 40mm 散热肋片面积为 0 12m 2 表面换热系数取 4W m 2 k 散热片基板厚为 3mm 为方便计算分析 可以把图 6 所示的散热过 程简化成 肋片厚为 外径为 90mm 肋片根处直 径为 40mm 的等厚度环肋 表面换热系数折算成 4 0 12 2 90 20 2 40 2 2 47W m2 k 散热片为铝板 200W m k 则参数 31 0 10 2045 103200472 2 33 oL rr 25 2 4090 OL rr 查阅图 4 可得出肋效率 0 95 此肋效率比 上述热管效率还高点 也就是说 板式热管用于 LED 散热 仅从散热效率方面来谈 不如同等厚度的铝板 如果考虑成本造价 那就是一件扯蛋之事 以上分析说明 采用非常简单的正统传热学 只 要学过正统传热学的本科学生 就可非常简单地证 明 板式热管用于 LED 照明灯的散热 是一件非常荒 诞的事 但是在行业中得到推崇 还有博士 专家教 授级的人物在推动 有商家挣到了不少银子 只有当 热量传导距离大到某值时 热管才显示出其优越特 性 结束语结束语 1 LED 散热技术创新固然重要 但是正确的传热学 基础知识补课更重要 2 热阻 概念不可滥用 否则简单的传热问题会 被复杂化 3 板式热管用于 LED 照明灯散热是一件荒诞的事 参考文献参考文献 1 传热学 西安交通大学 杨世铭主编 人民教育 出版社 1980 年 2 传热学 山东工学院 俞佐平主编 人民教育出 版社出版 1979 年 3 O Neill P