:傳統(tǒng)型材散熱器的問題
傳統(tǒng)型材散熱器,無論銅還是鋁,都是屬于傳熱形式。導熱系數(shù)不高是癥結(jié)所在,突出表象為翅片利用率不高:
首先針對點熱源(集中熱源,比如COB):
圖中假設(shè)熱源與散熱器底板的接觸面積遠小于散熱器底板面積;
這是可以認為熱源是集中熱源/電熱源。
此時翅片在XY方向的溫度分布大致如下圖所示:
即:隨著測試點距離熱源位置越來越遠,測試點溫度將急劇下降;換言之,遠端翅片,或者同一個翅片偏離熱源越遠,溫度將會越低,而且表現(xiàn)出極大的非線性。
從工程經(jīng)驗我們知道:對于這類點熱源,采用平板散熱器,單純加大底板面積收效甚微,還不如長高翅片,或者強制風冷。
注:如果圖中曲線為實際測量的溫差數(shù)據(jù),那么積分圖中的曲線面積就能算出散熱器散掉的熱量了。
造成這一現(xiàn)象的根本原因在于,熱在平面方向的傳遞,銅和鋁來說,熱阻都太大了。使得熱量傳遞到遠端非常費力。
解決這個問題的一個方法就是將點熱源打散成面熱源,極端情況就是用發(fā)熱薄膜替代上圖的點熱源,極端一點,如果發(fā)熱薄膜均勻發(fā)熱,面積與散熱器底板一致。那么散熱器整體溫度分布將如下圖:
即底板上任意一點溫度將趨于一致;同高度點翅片溫度也是一致的。
注:經(jīng)過簡單計算能得到發(fā)熱膜時散熱器散出的熱量與集中熱源是相同的。但是非常明顯的就是,沒有了溫度高點。
工程經(jīng)驗:IGBT mos led 的封裝都有一個銅質(zhì)的大底板---熱沉;它的作用之一就是把半導體結(jié)的集中熱打散到底板上;用銅底板打散點熱源不能無限擴大,因為銅的導熱能力也是有限的。
這個問題的模擬測試可采用仿真軟件計算得到,也相信大家都有類似的工程經(jīng)驗。
2:相變的原理與解決方法:
簡述原理:1:物質(zhì)從液態(tài)到氣態(tài)會攜帶熱量,從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)會釋放熱量。
2:熱類似于電,會向阻礙小的地方逃竄;
相變的基本思路,就是打散點熱源,將點熱源打散變成發(fā)熱薄膜。
如圖所示:點熱源在底部,散熱器底板變成空腔。當點熱源啟動,腔內(nèi)工質(zhì)受熱蒸發(fā)變成氣體攜帶熱量,跑向冷端;遇冷凝結(jié)釋放熱量再回流;
從傳導路徑看:熱源到工質(zhì)只需要穿透毫米級的底板即可,用熱流密度計算,對于通常的led燈具,從熱源底板到,腔體內(nèi)部,底板上產(chǎn)生的溫差小于5度(與鋁材型號,cob功率相關(guān));
這樣,led底板相對來說就是一個“冷”的底板。
這個過程我們從生活中可以得到經(jīng)驗,燃氣灶燒開水?;鹧鎸τ谶^低近似為點熱源。水開了以后熱氣蒸騰,遇到鍋蓋變冷冷凝。
生活經(jīng)驗,水燒開了以后就是100度,再大的火也是100度(因為不是高壓鍋);
生活經(jīng)驗告訴我們,鍋蓋的各店溫度基本一致;
這些經(jīng)驗,通過ft軟件或solidworks可以簡單模擬出來,你需要在空腔內(nèi)塞入一個導熱系數(shù)大于5000的(差不多超過銅10倍就可以)零件即可模擬。
實際相變腔內(nèi)工作過程是這樣的:
腔體首先是抽成高度真空,然后注入工質(zhì)(水,乙醇皆可,理論上工質(zhì)沒差異實際有差異);密封。這時在當前溫度下,工質(zhì)形成氣液二相態(tài)共存,腔內(nèi)的壓力就是當前溫度下的工質(zhì)氣體分壓,通常遠小于大氣壓。即室溫時,如果用水做工質(zhì),加入你的殼體太薄,會變成一個凹面;
假設(shè)在底部加熱(烙鐵頭),液體迅速升溫,相變,輸入熱量與散掉熱量保持平衡后(功率輸入適當調(diào)節(jié),使溫度不再上升);此時腔內(nèi)壓力升高到,當前所測量的溫度所在的工質(zhì)氣體分壓壓力。
由于存在翅片 存在對流傳到,散熱器底板長翅片的一側(cè)溫度要略低于底板下側(cè)無翅片,更低于熱源正上方的溫度(溫差不是很大,通常在1度5度這個水平)。
這個微小的溫差 就足以支撐相變循環(huán)往復進行。
熱源處水受熱蒸發(fā),跑到上部遇冷,放出熱量,冷凝,回流,在吸收熱量,往復循環(huán)。
這個道理就是所有熱管的基本工作原理:傳熱+傳質(zhì)。
相變的好處就是:極大的提升了翅片的利用率,同扥功率下,表現(xiàn)為需要更少一點的材料。
比如100瓦工礦燈采用實心鋁型材太陽花,有多重各位都清楚。
但是相變散熱器通常需要1/3到1/2的重量就能解決。
另一個,大功率時實心鋁型材基本就會失效,原因就是 純鋁的熱阻太大,對于cob來說,熱量無法傳導出去,增加型材長度能提升的作用已經(jīng)微乎其微了。這時,相變散熱器還有很大的發(fā)揮空間。
相變散熱器關(guān)鍵點:
真空度問題:做熱管的都懂,雜質(zhì)氣體混入會造成均溫性變差。
泄露問題:漏了基本就完蛋了,甚至還不如純鋁型材
鋁的焊接問題:這是一個老大難問題
方向性問題:現(xiàn)有的相變散熱器都受方向影響,或輕或重罷了。
高度問題:超過400mm高度的led相變散熱器效果就不是那么好了。
壽命:原則上只要不漏就不會壞(腐蝕,外力破壞不算),工質(zhì)與材料相容性很好,不會變質(zhì)。
3:實際應用中的注意的幾點:
主流相變:純鋁,銅鋁復合;
純鋁的加工非常費勁,焊接是一大關(guān)鍵點,氬弧焊的失效率是10-20%需要反復檢漏補焊,所以有些不良廠商用膠水(玻麗硅膠)粘上完事;
銅鋁復合,就是一個銅的熱管,用小過盈塞進去,這是抄襲國外的做法,老美多了一層釬焊劑和釬焊,國內(nèi)不良廠商由于采購成品銅熱管,沒辦法圖釬焊劑二次釬焊,所以塞進去完事。
銅鋁的膨脹系數(shù)差很多(數(shù)量級區(qū)別),而且銅退火后更軟比鋁還軟,那么經(jīng)過若干次溫度循環(huán),銅鋁會慢慢分離(也許三五個月,也許三五年),如果做溫度沖擊實驗,將會發(fā)現(xiàn)性能逐漸下降,最終銅管可以從散熱器中拔出來。
上面這些不良廠家 我就不點名了,挺好的技術(shù) 不好好做事情,只知道昧著良心掙錢。
更有甚者,那個不良的廠家,曾經(jīng)供貨過小功率相變散熱器(100瓦以下),解剖開發(fā)現(xiàn)就是一個實心鋁坨,還假模假樣打個孔,弄點膠封一下。純粹騙人。