LED散热设计基础知识与规范

热量、热阻和温度是热设计中的重要参数

准数:

1.雷诺数(Reynlods):雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则数。雷诺数小,意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位,流体各质点平行于管路内壁有规则地流动,呈层流流动状态。雷诺数大,意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流流动状态,一般管道雷诺数Re<2000 为层流状态,Re>4000

为紊流状态,Re=2000~4000 为过渡状态。在不同的流动状态下,流体的运动规律.流速

的分布等都是不同的,因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax 的比值也是不同的。

2.努塞尔数Nu(Nusseltl):反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱,是一个说明对

流换热强弱的相似准则数,无量纲数。是传热膜系数α与特征长度L的乘积除以流体热导

率λ所得的数群。定义为:Nu=α·L/λ。L为传热面的几何特征长度(如管式换热器,可

能是管的半径或直径) ,单位是米;α单位为瓦/(米2·开) ;λ单位是瓦(米·开) 。表达式写成Nu=α/α*,则可看出努塞尔数的物理意义,其中α*为λ/L,相当于传热过程仅

以热传导方式进行时的传热分系数。传热计算中可以从Nu求取传热膜系数α

3.普朗特数Pr(Prandtl):普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数。空气的

Pr数可直接根据定性温度从物性表中查出。

增强散热的方式以下一些具体的散热增强方式,其实就是根据上述三种基本传热方程来

增加散热量的:

2.3.1 增加有效散热面积。如在芯片表面安装散热器;将热量通过引线或导热绝缘材料

导到PCB板中,利用周围PCB板的表面散热。

2.3.2 增加流过表面的风速,可以增加换热系数。

2.3.3 破坏层流边界层,增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍,抽风时,风道横截

面上速度分布比较均匀,风速较低,一般为层流状态,换热避面上的不规则凸起可以破坏层流状态,加强换热,针状散热器和翅片散热器的换热面积一样,而换热量却可以增加30%,就是这个原因。吹风时,风扇出口风速分布不均,有主要流动方向,局部风速较高,一般为紊流状态,局部换热强烈,但要注意回流低速区换热较差。

2.3.4 尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶(绝缘性能好)或铝

箔等材料。

2.3.5 设法减小散热热阻。在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限自然

对流和导热、辐射散热,由于空气的导热系数很小,所以热阻很大。如果将器件表面和金属

壳内侧通过导热绝缘垫接触,则热阻将大大降低,减小温升。

当发热表面温升为40℃或更高时,如果热流密度小于0.04W/cm ,则一般可以通

过自然对流的方式冷却,不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面,实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备,所以不需要维护,成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热,应尽量不使用风扇。

当散热面热流密度超过0.08W/cm ,就必须采用强迫风冷的方式散热。

迫风冷中风道的设计非常重要。以下是设计的一些基本原则:尽量采用直通风道,避免

流的转弯。在气流急剧转弯的地方,应采用导风板使气流逐渐转向,使压力损失达到最尽量避免骤然扩展和骤然收缩。进出风口尽量远离,防止气流短路。在机柜的面板、侧

后板没有特别要求一般不要开通风孔,防止气流短路。为避免上游插框的热量带入下游

框,影响其散热,可以采用独立风道,分开散热。风道设计应保证插框单板或模块散热

匀,避免在回流区和低速区产生热点。对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风

避免风道阻力不合理布局要避免风道的高低压区的短路

4.2 抽风与吹风的区别

4.2.1 吹风的优缺点

a. 风扇出口附近气流主要为紊流流动,局部换热强烈,宜用于发热器件比较集中的情

况,此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件。

b. 吹风时将在机柜内形成正压,可以防止缝隙中的灰尘进入机柜/箱。

c. 风扇将不会受到系统散热量的影响,工作在在较低的空气温度下,风扇寿命较长。

d. 由于吹风有一定方向性,对整个插框横截面上的送风量会不均匀。

e. 在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区,换热较差,最好将风

扇与插框保持50mm以上的间距,使送风均匀化。

4.2.2 抽风的特点

a. 送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂的情况。

b. 进入风扇的流动主要为层流状态。

c. 风扇将在出风口高温气流下工作,寿命会受影响。

d. 机柜内形成负压,缝隙中的灰尘将进入机柜/箱

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