熱設計相關知識PPT課件

1、11、熱學基本概念2、常見的散熱方式和相應的理論計算方法3、LED光源熱設計的相關信息4、燈具散熱設計時的注意事項5、燈具熱測試的幾個重要條件6、熱分析中常用到的軟件第1頁/共30頁21、熱學基本概念、熱學基本概念1.1 熱傳導熱傳導 在靜態(tài)介質中存在溫度差時，不論介質在靜態(tài)介質中存在溫度差時，不論介質是固體還是液體，介質中都會發(fā)生傳熱，此過是固體還是液體，介質中都會發(fā)生傳熱，此過程為熱傳導，熱傳導是因存在溫差而發(fā)生的能程為熱傳導，熱傳導是因存在溫差而發(fā)生的能量的轉移。量的轉移。T2T1Q第2頁/共30頁31、熱學基本概念、熱學基本概念1.2 對流 當一個表面和一種運動的流體處于不同溫 度時，

2、它們之間發(fā)生的傳熱為對流。1.3 熱輻射 在所有具有溫度的變表面上，都在以電磁 波的形式在發(fā)射能量，此過程稱為熱輻射第3頁/共30頁41、熱學基本概念、熱學基本概念1.4 熱流密度 熱流密度是一個矢量，具有方向性，其 大小等于通過該方向的垂直單位面積上 單位時間內流過的熱量，單位為W/m2 。1.5 對流換熱系數 表示單位時間單位換熱面積在單位溫度 差下的換熱量，因而可以用來衡量各種 對流換熱過程換熱性能的差異。單位是 W/m2.K 。 以下為對流換熱系數對照參考表第4頁/共30頁51、熱學基本概念、熱學基本概念對流換熱系數對照表對流換熱系數對照表第5頁/共30頁61、熱學基本概念、熱學基本概

3、念1.6 熱導率（導熱系數） 熱導率是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的 材料，兩側表面的溫差為1度，在1小時 內，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位 為W/m.k ; 熱導率是物體材料所固有的物理性質,與 物質的組成、結構、密度、壓力和溫度 等因素有關 。第6頁/共30頁71、熱學基本概念、熱學基本概念1.7 熱阻 熱阻表示單位面積、單位厚度的材料阻止 熱量流動的能力 ，單位W/ 。 對于單一均質材料，材料的熱阻與材料的 厚度成正比；對于非單一材料，總的趨勢 是材料的熱阻隨材料的厚度增加而增大。1.8 熱阻抗 熱阻抗定義為導熱面積與接觸表面間的熱 阻的乘積，單位為W/.m2 。 第7頁/共30頁82

4、、常見的散熱方式和相應的理論計算方法、常見的散熱方式和相應的理論計算方法2.1 導熱（熱傳導）理論計算方法傅立葉導熱定律：傅立葉導熱定律： WTQAx A為垂直于熱流方向的截面積；為垂直于熱流方向的截面積；為材料的導熱系數，單位為材料的導熱系數，單位W/(mK)，它是表征材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數。它是表征材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數。定義熱流密度：定義熱流密度：2 W/mQqA 對傅立葉定律在一維導熱條件下積分，可得：對傅立葉定律在一維導熱條件下積分，可得：tTQR 由此可得導熱熱阻計算公式為：由此可得導熱熱阻計算公式為： K/WtRA第8頁/共30頁92、常見的散熱方式和相應的理論計算方法、

5、常見的散熱方式和相應的理論計算方法2.2 對流換熱對流換熱自然對流流動產生的原因強迫對流層流流動性質湍流牛頓冷卻公式：牛頓冷卻公式：QA T 其中其中為對流換熱系數，單位為對流換熱系數，單位W/(m2K)，表征了換熱表面的，表征了換熱表面的平均對流換熱能力。平均對流換熱能力。A為參與熱交換的有效面積，為參與熱交換的有效面積，T為表為表面溫度與流體溫度之差面溫度與流體溫度之差。由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：1tRA第9頁/共30頁102、常見的散熱方式和相應的理論計算方法、常見的散熱方式和相應的理論計算方法2.3 熱輻射 熱輻射的波長范圍在熱輻射的波

6、長范圍在0.1m100m之間，熱輻射主要取決之間，熱輻射主要取決于表面溫度。于表面溫度。 黑體的輻射力（斯忒藩黑體的輻射力（斯忒藩玻爾茲曼定律）：玻爾茲曼定律）：425.67 W/m100bTE實際物體的的輻射力：實際物體的的輻射力：425.67 W/m100bTEE注：上面兩個公式中的溫度均為絕對溫度。注：上面兩個公式中的溫度均為絕對溫度。 黑度黑度（發(fā)射率）：取決于物體溫度、種類和表面狀況，與顏色無（發(fā)射率）：取決于物體溫度、種類和表面狀況，與顏色無關。關。第10頁/共30頁113、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息3.1 LED 封裝的組成第11頁/共30頁123、LED光源

7、熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息第12頁/共30頁133、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息第13頁/共30頁143、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息3.2 LED 光源熱學特性LED的結溫 LED的基本結構是一個半導體的PN結。實驗指 出，當電流流過LED元件時，PN結的溫度將上 升，嚴格意義上說，就把PN結區(qū)的溫度定義為 LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺 寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。LED的熱阻 此熱阻為LED結點到LED焊點之間熱阻值，也是通 常在LED規(guī)格書中看到的數據；數值一般在320 W/ 之間。如下圖第14頁/共30頁1

8、53、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息從LED 接合點到封裝底部焊點的熱阻 Rth JS ；此熱阻由封裝設計控制。Rth SB+ Rth BA為焊點和外部環(huán)境間的熱阻；燈具結構對此熱阻有決定性影響。第15頁/共30頁163、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息3.3 LED 光源熱設計注意事項有效降低LED結溫 A、減少LED本身的熱阻； B、良好的燈具散熱結構； C、減少LED與燈具散熱結構安裝介面之間的熱阻； D、控制額定輸入功率; E、降低環(huán)境溫度第16頁/共30頁173、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息降低LED熱阻的途徑 A、需用較低的熱阻芯片

9、B、最佳化熱通道 （1）通道結構 *長度越短越好； *面積越大越好； *環(huán)節(jié)越少越好； *消除通道上的熱傳導瓶頸。 （2）通道材料的導熱系數越大越好; （3）通道環(huán)節(jié)間的介面接觸熱阻緊密可靠。 C、強化電通道的導/散熱功能 D、選用導/散熱性能更高的散熱材料第17頁/共30頁183、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息結溫與相對光通量之間的關系 Cree XLamp XR-E LED Data Sheet 第18頁/共30頁193、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息最大正向電流由LED結點與外部環(huán)境之間的熱 阻決定，假設現有LED結點與焊點之間的熱阻 為8W/；其之間有如

10、下對應關系： Cree XLamp XR-E LED Data Sheet 第19頁/共30頁203、LED光源熱設計的相關信息光源熱設計的相關信息結溫與使用壽命之間的關系LED Thermal Standardization: A Hot Topic（Clemens J.M. Lasance, Philips Research Laboratories and Andras Poppe, Mentor Graphics MicReD Division）第20頁/共30頁214、燈具散熱設計時的注意事項、燈具散熱設計時的注意事項4.1 注意燈具中熱源的傳導路徑，和總熱阻值 盡可能的加大用來傳導

11、熱量的部件截面積，注意 減少熱傳導路徑中的熱傳導瓶頸點； 盡可能的把熱源與主要散熱部件進行直接連接，減 少熱傳導路徑上的部件數量，從而減少了熱源到散 熱空間之間的熱阻值，加快了熱量的傳遞，減小了 熱源與散熱部件之間的溫差。第21頁/共30頁224、燈具散熱設計時的注意事項、燈具散熱設計時的注意事項4.2 注意燈具結構中傳熱和散熱部件所選用的材料 燈具中的主要散熱部件盡可能的選用導熱系數高 的材料，如下為幾種常用的金屬材料及其熱導率第22頁/共30頁234、燈具散熱設計時的注意事項、燈具散熱設計時的注意事項4.3 注意燈具中部件之間接觸時所用材質 為了減小部件之間的接觸熱阻，把連接接觸面 內部的

12、空氣趕出，一般會選用導熱膏、導熱膠 片、或者材質比較軟的金屬箔片。 在選用接觸導熱材料時盡可能選用導熱系數比 較高的材質，同時要注意材料的應用條件，如能 承受的最高擊穿電壓，UL防火等級等具體信息。第23頁/共30頁244、燈具散熱設計時的注意事項、燈具散熱設計時的注意事項4.4 注意燈具外殼與空氣之間的接觸面積 參與散熱的燈體外殼，我們可以通過特殊工 藝加大其散熱面積，如噴砂處理、加散熱鰭片或 者在散熱表面加特殊紋路和圖形等4.5 注意燈具外殼的表面輻射能力 在自然散熱條件下，通過改善散熱部件表面 的灰度，來提高其燈具向外的輻射能力，也是一 種有效的散熱方式第24頁/共30頁254、燈具散熱

13、設計時的注意事項、燈具散熱設計時的注意事項4.6 注意燈具散熱鰭片與燈具的放置方式 燈具外殼設計時，注意燈具結構中的散熱鰭片， 盡可能的保證，鰭片放置方向與重力平行，有利于 燈具周圍空氣的流動，增強鰭片與周圍冷空氣的熱 交換能力。第25頁/共30頁265、燈具熱測試的幾個重要條件、燈具熱測試的幾個重要條件 5.1 燈具的實驗環(huán)境溫度，按照最嚴酷條件進行測試； 特別是在自然散熱條件下，周圍環(huán)境風速的大小對燈具 表面的對流換熱系數影響很大； 5.2 在實際測試時應該記錄燈具中所通電壓和電流的數據。 特別是LED 燈具，只有記錄測試時的電壓和電流才能 準確知道測試時所用消耗瓦數； 5.3 溫度測試時的數據應該是實時記錄，如果條件不允許的 話也應該是有規(guī)律性的記錄實驗數據，并對數據進行統(tǒng) 計分析，最后才能得出結論； 第26頁/共30頁275、燈具熱測試的幾個重要條件、燈具熱測試的幾個重要條件5.4 熱偶線熱測試時需要注意一下幾點 測試點一定要按照光源規(guī)格書中的要求或燈具本身具體 要求進行偵測，必要時在所測點拋溝槽，把熱偶線埋入溝 槽內部測試。 在用502膠粘接熱偶線時必須保證，熱偶線端點與被 測點緊密接觸。第27頁/共30頁286、熱分析中常用到的軟件、熱分析中常用到的軟件 在對產品進行方案評審階段，燈具