☆七 散热器的设计

　　要谈到散热器，有一个概念先要搞清楚，就是导热和散热的区别。导热就是要把热量最快地从发热源传送到散热器表面，而散热则是要把热量从散热器表面散发到空气中去。

　　首先要把热最快的导出来，然后要最有效地散到空气里去。因为不管采用什么方法散热，最后还是只能把热量散发到空气中。而热量的散发只有两种途径：对流和辐射。

　　7.1、对流散热和辐射散热

　　对于对流散热来说，其基本公式如下：

　　Q = h·A·△T

　　其中Q为散去的热量，h为热对流系数，A为散热器的散热面积，△T为散热器表面和附近空气之间的温度差。

　　更形象一点，可以用图10来表示：

图10. 基于对流的散热量的计算

　　鳍片的散热主要是靠对流和辐射，这其中对流是最重要的。这两部分都取决于鳍片的总面积。面积越大，散热效果越好。

　　然而，对流散热则不完全取决于鳍片面积的大小，而且还和风力风向有关，在完全无风的状态下，则和自然对流的阻力有关。

　　例如假如为了防尘和防鸟屎堆积，鳍片朝下安装，那么鳍片两端不能堵住，而且灯具要么向下倾斜要么向上倾斜，可以让热空气能够顺畅地流动。

　　热辐射的散热公式为“Q =E×S×F×Δ(Ta-Tb)”。

　　公式中Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的热辐射系数。在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后(比如发黑)其表面热辐射系数值就会提升。

　　塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。

　　S是物体的表面积，F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较难以解释。

　　Δ(Ta-Tb)则是表面a的温度同表面b之间的温度差。

　　因此热辐射量和热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。绝对黑体的辐射系数为1。

　　热辐射散热也可以用另一个公式来表示：

　　热辐射的散热量[W]=5.67x10-8x辐射率x散热器面积[m2]x(平均温度+273)3x(温度差)[°C]

　　热辐射系数不但和材料有关，而且还和加工有关。各种材料在8-14微米的红外辐射率如下表所示：

　　由表中可见，氧化处理是改进材料的辐射散热的重要途径。采用铸铁的暖气片有相当一部分的散热靠的是辐射散热。而且塑料的热辐射性能和氧化后的金属差不多。

　　为了改进辐射散热，铝合金鳍片散热器要进行发黑处理，但是有人是采用喷黑色塑胶漆的方法，这种方法虽然也使其表面变黑，但是实际上又加上了一层绝缘层，妨碍了它的散热。最好的方法是采用阳极氧化发黑处理，这个氧化层可以做得很薄，不至于影响其散热，但对辐射散热有很大的改进。

　　总之，不管是对流还是辐射都是和散热器的散热面积成正比，所以要改善散热一定要加大散热器的面积。

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　　☆八 鳍片散热器

　　散热器采用鳍片的形状是为了加大散热面积。以利于辐射散热和对流散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A，但是散热器的不同部位的散热效果是不同的。在根部的散热效果就差，而在顶部的散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。

　　从经验得出，一般要散1W功率的热量大约需要50-60平方厘米的有效散热器面积。

　　而散热器的材料通常是用铝合金，和铜相比，虽然其热传导只有铜的一半，但是它重量轻、易加工、价格便宜，所以还是广泛地应用于散热器之中。一种典型的散热铝合金型材如图11所示。

图11. 典型的鳍片铝合金散热器

　　为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。图12表明增加高度对于降低结温的影响的一个例子。

图12. LED结温随散热器的高度增加而降低

　　由图中可以看出，高度增加到40mm以后，结温的降低就很慢了。

　　加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。图13表明了结温和长度的关系。

图13. 结温和长度的关系

　　由图中可知，长度增加到一定程度以后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动受到阻碍所致(主要对于垂直放置的鳍片为如此)。

　　所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事，尤其是像LED路灯这类安装在室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的，为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍片散热器(图14)。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。

图14. 针状散热器

　　珠海南科首次把针状散热器应用至LED路灯中，据说这可以使LED的结温降低15度以上，提高了LED的寿命。

　　路灯散热器往往由于灰尘和鸟粪的积累而使其散热效果大为降低，所以通常采用朝下安装的方法来避免，但是这样做又会使空气对流的效果降低，因为热空气是向上流动的。通常要在安装时有一个倾斜角来改善。

　　☆九 采用强制风冷散热

　　目前几乎绝大多数的LED灯具都是采用自然空气对流来散热的。然而，对流的散热效果是和空气的流速是有密切关系的。在一个15W的LED灯具中，如果采用强制风冷可以得到其LED的结温和风速的关系如图15所示。

图15. LED结温和风速的关系

　　在电脑的CPU中，从来都是采用小风扇的强制风冷系统来散热的。那么在LED中能不能也采用风扇来散热呢!

　　目前最大功率的LED灯具要算是LED路灯了。LED路灯和电脑最大的差别就是它是安装在室外的十分恶劣的环境条件下的。如果采用风扇，那么这种风扇也必须能够承受十分恶劣的环境条件。例如必须能够防水、防潮、防尘，能够承受高低温的考验，等等…而且它本身不能消耗很大的功率。

　　最近台湾Sunon公司推出全球最小、最薄、耗电量最低的“毫米科技风扇与鼓风扇MightyMini Fan &Blower。并用于各种功率的LED灯具。

　　例如，应用于LED球泡灯，就可以突破9W的瓶颈限制而达到15W的水平。同时展示全新“One-module”概念所设计的LED散热模块，将LED灯具散热模块化，一款散热模块可应用于多款LED灯具，简化客户端的设计流程，预计推出可散热7-15W、10-25W、25-40W几种功率水平。

　　可应用于LED球灯、筒灯、MR16投射灯、LED轨道灯等各式LED应用产品的散热。

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　　☆十 结束语

　　目前LED的发光效率还是比较低，从而引起结温升高，寿命降低。为了降低结温以提高寿命就必须十分重视散热的问题。LED的散热设计必须从芯片开始一直到整个散热器，每一个环节都要给于充分的注意。任何一个环节设计不当都会引起严重的散热问题。

　　过去的LED路灯在长期工作中的大量失效，一半以上是散热设计欠缺所引起，另一半是电源失效所引起。所以对散热的设计必须给以充分的重视。

　　随着LED的光效逐年提高，它的发热问题也会逐渐降低。相信总有一天我们会看到不需要散热器的LED灯具的出现!