热设计相关知识课件

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,热设计相关知识,热设计相关知识,大纲,1,、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,2,1,、热学基本概念,1.1,热传导,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,程为热传导，热传导是因存在温差而发生的能,量的转移。,T,2,T,1,Q,3,1,、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，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,4,1,、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/m,2,。,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/m,2,.K,。,以下为对流换热系数对照参考表,5,1,、热学基本概念,对流换热系数对照表,6,1,、热学基本概念,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 。,7,1,、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/.m,2,。,8,2,、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：,A,为垂直于热流方向的截面积；,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。,定义热流密度：,对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得：,由此可得导热热阻计算公式为：,9,2,、常见的散热方式和相应的理论计算方法,2.2,对流换热,牛顿冷却公式：,其中,为对流换热系数，单位,W/(m,2,K),，表征了换热表面的平均对流换热能力。,A,为参与热交换的有效面积，,T,为表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：,10,2,、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,0.1m,100m,之间，热辐射主要取决于表面温度。,黑体的辐射力（斯忒藩,玻尔兹曼定律）：,实际物体的的辐射力：,注：上面两个公式中的温度均为绝对温度。,黑度,（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况，与颜色无关。,11,3,、,LED,光源热设计的相关信息,3.1 LED,封装的组成,12,3,、,LED,光源热设计的相关信息,13,3,、,LED,光源热设计的相关信息,14,3,、,LED,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,3,20,W/ ,之间。如下图,15,3,、,LED,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,R,th JS,；此热阻由封装设计控制。,R,th SB,+ R,th 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。,16,3,、,LED,光源热设计的相关信息,3.3 LED,光源热设计注意事项,3.3.1,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,17,3,、,LED,光源热设计的相关信息,3.3.2,降低,LED,热阻的途径,A,、需用较低的热阻芯片,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,18,3,、,LED,光源热设计的相关信息,3.3.3 LED,结温与相对光通量之间的关系,Cree XLamp XR-E LED Data Sheet,19,3,、,LED,光源热设计的相关信息,3.3.2,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/,；,其之间有如下对应关系：,Cree XLamp XR-E LED Data Sheet,20,3,、,LED,光源热设计的相关信息,3.3.3 LED,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 andAndras Poppe, Mentor Graphics MicReD Division,）,21,4,、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。,22,4,、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,23,4,、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。,24,4,、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,25,4,、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。,26,5,、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；,27,5,、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。,28,6,、热分析中常用到的软件,在对产品进行方案评审阶段，灯具中的热设计可以用一些热仿真分析软件来预估此方案的可行性，特别是针对现有,LED,光源的灯具。,业界对热分析软件的应用主要有以下几种,:,Flohterm,、,Icepak,、,EFD,、,CFDesign,热分析的主要几个关键步骤如下：,模型的建立,边界条件赋予,对模型进行网格划分,利用软件的求解器对模型进行热分析,对分析结果进行分析,输出分析报告和具体数据,29,深圳市海洋王照明科技股份有限公司,Thank You !,