一、强光探照灯散热设计的必要性

强光探照灯是一种能够将电能转换成光能的半导体,目前大功率强光探照灯的电光转换效率仅为20%~30%,有70%~80%的电能转换成了热能。如果热量不能有效地散出去,会引起强光探照灯芯片结温升高,导致发光波长红移、光衰加剧、寿命缩短等问题。结温过高会导致输出光通量下降,影响光效;结温过高还会使荧光粉效率下降,影响色温。因此散热问题是强光探照灯照明普及和发展的最大瓶颈,如何提高大功率强光探照灯的散热能力是实现产业化亟待解决的关键技术之一。

二、热量传递的三种基本方式

热量传递共有三种基本方式:热传导(HeatConduction)；热对流(HeatConvection)

和热辐射(HeatRadiation)。

（一）热传导

热传导是指物体之间或一个物体的各部分之间存在温差且无相对宏观运动时发生的热量传递现象。它是物质的固有本质,是表征物质导热能力强弱的一个物性参数;无论是气体、液体还是固体,都具有导热的能力。

热传导定义式(傅里叶公式):

q=λ△t/δW/m2或φ=λA△t/δW

导热系数λ的单位为W(m.K),定义式如下:

λ=q/-gradtW/(m.k)

影响导热系数的因素包括:物质的种类、性质、温度、压力、密度以及湿度。各种物质的导热系数相差很大,其根本原因在于不同的物质其导热机理存在着差异。一般而言,金属的导热系数最大,非金属和液体次之,气体的导热系数最小。导热系数越大,说明其导热性能越好。由下表1-1可以看出各类物质导热系数的一般大小顺序。

表1-1常温常压下各物质热导系数的取值范围

材料结构的变化与所含杂质对导热系数都有明显影响。虽然各种材料的导热系数值均可从有关资料或手册中查到,但由于温度、结构、湿度和压强等条件的不同,查到的数据往往与实际使用情况有偏差,需进行修正。同一种物质的导热系数也会因其状态的不同而改变,由于物质温度和压力的高低不仅直接反映物质分子的密集程度和热运动的强弱程度,还直接影响着分子的碰撞、晶格的振动和电子的漂移,因此物质的导热系数与温度和压力密切相关,即导热系数可用物质温度和压力的函数表示,见表1-2。

表1-2物质种类导热特性区别

非金属材料的导热机理:非金属物质多属于多孔性材料,其内部孔隙部分充满了空气。其导热机理一般是通过材料的实体和孔隙空气两部分热量传递综合作用的结果,如果空隙大到一定程度,也会存在对流换热和辐射换热方式。导热系数低于0.22W/(m.k)的固体材料称为绝热材料。

不同因素对于多孔性材料导热系数的影响:多孔材料湿度越大,λ也越大,因此建筑材料,尤其是保温材料需要防潮处理;多孔材料密度越小,即孔隙中空气量越多,导热系数越小,但密度不能过小,过小的密度会使提高对流换热,增加热量传递能力。

在工程计算中,各种物质的导热系数都是用专门实验测定出来的。测量方法包括稳态测量方法和非稳态测量方法。

一般把导热系数仅仅视为温度的函数,而且在一定温度范围还可以用一种线性关系来

描述,即λ=λ0(1+bT)

热传导是大功率强光探照灯的最主要散热方式,大功率强光探照灯芯片通过良好的导热材料粘接于基板上,基板下面通常会连接散热良好的热沉,只有良好的热传导才能使强光探照灯的芯片温度传递到器件表面,从而降低强光探照灯的芯片温度。

针对强光探照灯热传导的传播方式进行产品设计时应注意以下几点:

(1)尽量减少中间环节,降低热阻。如直接将电路做在散热器上,减少铝基板与散热器之间的热阻,前提是必须解决工艺、结构、低温焊接等问题。

(2)采用高导热材料。在实际应用中,导热材料的选择除了考虑到导热能力(导热系数越大,导热能力越强)外,还要考虑价格及工艺性等。金属材料中,银的导热系数最高，但价格不菲,纯铜次之,但加工不易。所以散热器一般采用铝合金,这是由于铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足,很难进行切削加工)、重量轻、表面处理容易，成本低廉。

目前,DLC材料(类钻碳,DiamondLikeCabron)导热系数达到W/(m.k),用它取代MCPCB的环氧树脂/陶瓷的绝缘层,可将MCPCB热传导率提升百倍。

(3)设计时每一个相关环节都要考虑热流向优化。当系统散热环节比较复杂时可以通过计算机模拟来优化散热的方案。

（二）热对流

热对流指流体中温度不同的各部分物质在空间中发生宏观相对运动而引起的热量传递现象。热对流不以独立的方式传递热量,同时其必然伴随着热传导。

对流换热是流体流过固体壁面且由于其与壁面间存在温差时的热量传递现象,它与流体的流动机理密不可分;同时,由于导热也是物质的固有本质,因而对流换热是流体的宏观热运动(热对流)与流体的微观热运动(导热)联合作用的结果。

热对流公式(牛顿冷却公式):

q=h(tw-tf)W/m或φ=hA（tw-tf）w

式中,q为热流密度,单位W/m;h为换热系数,单位W/(m2.K)；tw-tf为温度差,单位K;A为换热面积,单位m,必须是流体与壁面间相互接触的、与热量传递方向相垂直的面积。

对流换热的影响因素包括:流体热物性(如导热系数、粘度等)、流体流态和流速、温差、几何因素等。对流换热的表面传热系数h只是过程量,与物性参数的导热系数λ不同。

针对强光探照灯热对流的传播方式进行产品设计时应注意以下几点:

(1)合理设计散热结构改善对流环境能够有效提高强光探照灯灯具的散热性能。例如改变散热片形状来破坏空气层流状态或加装风扇等。市场上部分强光探照灯灯具通过加装风扇来帮助散热,但是成本会相应增加,且会产生噪音和额外的能耗。经验表明,热流率低于0.04W/cm时,不需要加装风扇。同时,由于风扇比强光探照灯寿命低很多,一旦风扇出现问题,强光探照灯结温迅速升高,将导致芯片永久失效。因此,强光探照灯灯具多采用自然对流散热,以保证散热器的工作可靠度。

(2)散热器设计中,在允许的范围内尽可能增加散热器鳍片的面积以增加与空气的接触面。

(3)户外强光探照灯灯具设计时应考虑环境对散热的影响。例如应考虑结构设计不合理导致灰尘、鸟粪等覆盖而造成对流散热失效。

（三）热辐射

当物质微观粒子(原子)内部的电子受激或振动时,将产生并发出电场和磁场交替变化的电磁波向空间传播,即为热辐射。

热辐射定义公式(斯蒂藩-玻耳兹曼定律):

Eb=σbT4W/m2

式中,Eb是一个黑体表面向外界发射的辐射热量,而不是一个表面与外界之间以辐射方式交换的热量。

热辐射的影响因素包括:物体表面辐射力、表面状况、表面空间相对位置。

三、散热设计术语

(1)温升。温升指元器件的温度与环境温度的差值。如果忽略温度变化对空气中物体的非线性影响,可以将在一般环境温度下测量获得的温升直接加上最高可能的环境温度,获得在最高可能的环境温度下的元器件近似温度。例如测得某元器件温升为40℃,则在55℃最高环境温度下,该元器件的温度近似为95℃。

(2)热耗。热耗指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗,功耗指元器件的输入功率。一般电子元器件的输入功率比较低,大部分功率都转化成为了热量。计算元器件温升时,应根据其功耗和效率计算其热耗。当仅知道大致功耗时,对于小功率设备,可认为热耗等于功耗:对于大功率设备,可近似认为热耗为功耗的75%。有时为给设计留一个余量,可直接用功耗进行计算。

(3)热流密度。热流密度指单位面积上的传热量,单位为W/m。

(4)导热系数。导热系数是表征材料导热性能的参数,单位为W/(m.K)或W/(m.℃)。

(5)对流换热系数。对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱程度,可用当流体与壁面的温差为1℃时,在单位时间通过单位面积的热量表示,单位为W/(m.K)或W/(m.℃)。

(6)黑度。黑度为实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比,数值在0~1之间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙、无光泽的物体的黑度大且辐射散热能力强。

(7)热力学。热力学研究物质的热平衡状态,确定系统由一种平衡状态变为另一种平衡状态所需的总热量。

(8)传热学。传热学研究能量的传递速率,是热力学的扩展。传热问题必须基于热力学和传热学才能被解决。

(9)热对流。热对流指流体由支点发生位移而引起的热交换。自然对流支点位移是由于流体内部密度差引起的,使轻者浮,重者沉。

(10)热辐射。热辐射指由于热温差的原因而产生电磁波在空间传递。热辐射不仅是能量转移,也是伴随着能量形式的转移。辐射传热不需要任何介质做媒介,可以在真空中传播。

(11)结温。结温=热阻x输入功率+温度环境。因此,如果提高温度的最大额定值,即使环境非常高,强光探照灯也能正常工作。例如,在白色强光探照灯中,有的强光探照灯芯片可容许结温最高,可达到+℃。结温可因强光探照灯的点亮方式不同而不同。例如,对于脉冲驱动的强光探照灯,结温不容易上升;而对于连续驱动的强光探照灯,结温容易上升。

(12)封装材料。将强光探照灯芯片安装到封装材料中,为了将强光探照灯芯片发出的光提取到封装材料外部,封装材料的一部分或者是大部分采用透明材料。透明材料通常是环氧树脂或硅树脂,目前符合功能的玻璃材料也在开发中。环氧树脂常用于作为指示器和小型液晶面板背照灯光源输入功率较小的强光探照灯,而硅树脂则常用于输入功率较大的强光探照灯。