热设计相关知识PPT课件

1、11、热学基本概念2、常见的散热方式和相应的理论计算方法3、LED光源热设计的相关信息4、灯具散热设计时的注意事项5、灯具热测试的几个重要条件6、热分析中常用到的软件第1页/共30页21、热学基本概念、热学基本概念1.1 热传导热传导 在静态介质中存在温度差时，不论介质在静态介质中存在温度差时，不论介质是固体还是液体，介质中都会发生传热，此过是固体还是液体，介质中都会发生传热，此过程为热传导，热传导是因存在温差而发生的能程为热传导，热传导是因存在温差而发生的能量的转移。量的转移。T2T1Q第2页/共30页31、热学基本概念、热学基本概念1.2 对流 当一个表面和一种运动的流体处于不同温 度时，

2、它们之间发生的传热为对流。1.3 热辐射 在所有具有温度的变表面上，都在以电磁 波的形式在发射能量，此过程称为热辐射第3页/共30页41、热学基本概念、热学基本概念1.4 热流密度 热流密度是一个矢量，具有方向性，其 大小等于通过该方向的垂直单位面积上 单位时间内流过的热量，单位为W/m2 。1.5 对流换热系数 表示单位时间单位换热面积在单位温度 差下的换热量，因而可以用来衡量各种 对流换热过程换热性能的差异。单位是 W/m2.K 。 以下为对流换热系数对照参考表第4页/共30页51、热学基本概念、热学基本概念对流换热系数对照表对流换热系数对照表第5页/共30页61、热学基本概念、热学基本概

3、念1.6 热导率（导热系数） 热导率是指在稳定传热条件下，1m厚的 材料，两侧表面的温差为1度，在1小时 内，通过1平方米面积传递的热量，单位 为W/m.k ; 热导率是物体材料所固有的物理性质,与 物质的组成、结构、密度、压力和温度 等因素有关 。第6页/共30页71、热学基本概念、热学基本概念1.7 热阻 热阻表示单位面积、单位厚度的材料阻止 热量流动的能力 ，单位W/ 。 对于单一均质材料，材料的热阻与材料的 厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势 是材料的热阻随材料的厚度增加而增大。1.8 热阻抗 热阻抗定义为导热面积与接触表面间的热 阻的乘积，单位为W/.m2 。 第7页/共30页82

4、、常见的散热方式和相应的理论计算方法、常见的散热方式和相应的理论计算方法2.1 导热（热传导）理论计算方法傅立叶导热定律：傅立叶导热定律： WTQAx A为垂直于热流方向的截面积；为垂直于热流方向的截面积；为材料的导热系数，单位为材料的导热系数，单位W/(mK)，它是表征材料导热能力优劣的物性参数。它是表征材料导热能力优劣的物性参数。定义热流密度：定义热流密度：2 W/mQqA 对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得：对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得：tTQR 由此可得导热热阻计算公式为：由此可得导热热阻计算公式为： K/WtRA第8页/共30页92、常见的散热方式和相应的理论计算方法、

5、常见的散热方式和相应的理论计算方法2.2 对流换热对流换热自然对流流动产生的原因强迫对流层流流动性质湍流牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：QA T 其中其中为对流换热系数，单位为对流换热系数，单位W/(m2K)，表征了换热表面的，表征了换热表面的平均对流换热能力。平均对流换热能力。A为参与热交换的有效面积，为参与热交换的有效面积，T为表为表面温度与流体温度之差面温度与流体温度之差。由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：1tRA第9页/共30页102、常见的散热方式和相应的理论计算方法、常见的散热方式和相应的理论计算方法2.3 热辐射 热辐射的波长范围在热辐射的波

6、长范围在0.1m100m之间，热辐射主要取决之间，热辐射主要取决于表面温度。于表面温度。 黑体的辐射力（斯忒藩黑体的辐射力（斯忒藩玻尔兹曼定律）：玻尔兹曼定律）：425.67 W/m100bTE实际物体的的辐射力：实际物体的的辐射力：425.67 W/m100bTEE注：上面两个公式中的温度均为绝对温度。注：上面两个公式中的温度均为绝对温度。 黑度黑度（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况，与颜色无（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况，与颜色无关。关。第10页/共30页113、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息3.1 LED 封装的组成第11页/共30页123、LED光源

7、热设计的相关信息光源热设计的相关信息第12页/共30页133、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息第13页/共30页143、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息3.2 LED 光源热学特性LED的结温 LED的基本结构是一个半导体的PN结。实验指 出，当电流流过LED元件时，PN结的温度将上 升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为 LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺 寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。LED的热阻 此热阻为LED结点到LED焊点之间热阻值，也是通 常在LED规格书中看到的数据；数值一般在320 W/ 之间。如下图第14页/共30页1

8、53、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息从LED 接合点到封装底部焊点的热阻 Rth JS ；此热阻由封装设计控制。Rth SB+ Rth BA为焊点和外部环境间的热阻；灯具结构对此热阻有决定性影响。第15页/共30页163、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息3.3 LED 光源热设计注意事项有效降低LED结温 A、减少LED本身的热阻； B、良好的灯具散热结构； C、减少LED与灯具散热结构安装介面之间的热阻； D、控制额定输入功率; E、降低环境温度第16页/共30页173、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息降低LED热阻的途径 A、需用较低的热阻芯片

9、B、最佳化热通道 （1）通道结构 *长度越短越好； *面积越大越好； *环节越少越好； *消除通道上的热传导瓶颈。 （2）通道材料的导热系数越大越好; （3）通道环节间的介面接触热阻紧密可靠。 C、强化电通道的导/散热功能 D、选用导/散热性能更高的散热材料第17页/共30页183、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息结温与相对光通量之间的关系 Cree XLamp XR-E LED Data Sheet 第18页/共30页193、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息最大正向电流由LED结点与外部环境之间的热 阻决定，假设现有LED结点与焊点之间的热阻 为8W/；其之间有如

10、下对应关系： Cree XLamp XR-E LED Data Sheet 第19页/共30页203、LED光源热设计的相关信息光源热设计的相关信息结温与使用寿命之间的关系LED Thermal Standardization: A Hot Topic（Clemens J.M. Lasance, Philips Research Laboratories and Andras Poppe, Mentor Graphics MicReD Division）第20页/共30页214、灯具散热设计时的注意事项、灯具散热设计时的注意事项4.1 注意灯具中热源的传导路径，和总热阻值 尽可能的加大用来传导

11、热量的部件截面积，注意 减少热传导路径中的热传导瓶颈点； 尽可能的把热源与主要散热部件进行直接连接，减 少热传导路径上的部件数量，从而减少了热源到散 热空间之间的热阻值，加快了热量的传递，减小了 热源与散热部件之间的温差。第21页/共30页224、灯具散热设计时的注意事项、灯具散热设计时的注意事项4.2 注意灯具结构中传热和散热部件所选用的材料 灯具中的主要散热部件尽可能的选用导热系数高 的材料，如下为几种常用的金属材料及其热导率第22页/共30页234、灯具散热设计时的注意事项、灯具散热设计时的注意事项4.3 注意灯具中部件之间接触时所用材质 为了减小部件之间的接触热阻，把连接接触面 内部的

12、空气赶出，一般会选用导热膏、导热胶 片、或者材质比较软的金属箔片。 在选用接触导热材料时尽可能选用导热系数比 较高的材质，同时要注意材料的应用条件，如能 承受的最高击穿电压，UL防火等级等具体信息。第23页/共30页244、灯具散热设计时的注意事项、灯具散热设计时的注意事项4.4 注意灯具外壳与空气之间的接触面积 参与散热的灯体外壳，我们可以通过特殊工 艺加大其散热面积，如喷砂处理、加散热鳍片或 者在散热表面加特殊纹路和图形等4.5 注意灯具外壳的表面辐射能力 在自然散热条件下，通过改善散热部件表面 的灰度，来提高其灯具向外的辐射能力，也是一 种有效的散热方式第24页/共30页254、灯具散热

13、设计时的注意事项、灯具散热设计时的注意事项4.6 注意灯具散热鳍片与灯具的放置方式 灯具外壳设计时，注意灯具结构中的散热鳍片， 尽可能的保证，鳍片放置方向与重力平行，有利于 灯具周围空气的流动，增强鳍片与周围冷空气的热 交换能力。第25页/共30页265、灯具热测试的几个重要条件、灯具热测试的几个重要条件 5.1 灯具的实验环境温度，按照最严酷条件进行测试； 特别是在自然散热条件下，周围环境风速的大小对灯具 表面的对流换热系数影响很大； 5.2 在实际测试时应该记录灯具中所通电压和电流的数据。 特别是LED 灯具，只有记录测试时的电压和电流才能 准确知道测试时所用消耗瓦数； 5.3 温度测试时的数据应该是实时记录，如果条件不允许的 话也应该是有规律性的记录实验数据，并对数据进行统 计分析，最后才能得出结论； 第26页/共30页275、灯具热测试的几个重要条件、灯具热测试的几个重要条件5.4 热偶线热测试时需要注意一下几点 测试点一定要按照光源规格书中的要求或灯具本身具体 要求进行侦测，必要时在所测点抛沟槽，把热偶线埋入沟 槽内部测试。 在用502胶粘接热偶线时必须保证，热偶线端点与被 测点紧密接触。第27页/共30页286、热分析中常用到的软件、热分析中常用到的软件 在对产品进行方案评审阶段，灯具