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產品知識  Product Knowledge

熱傳學的應用:燈具的散熱

熱傳學主要探討「熱形式」的能量傳遞速率,跟最後溫度分佈之狀態。熱傳學考慮的重點是熱傳遞所需要的時間,且在傳遞過程期間,溫度的分佈都是不均勻的。

量子物理學中,原子間相互連結成類似彈簧的結構,溫度較高的一端具有較劇烈的分子振動現象,分子無規則振動速度的快慢就代表溫度的高低。換句話說,「熱」是指分子的振動行為,而「溫度」是反映分子振動的劇烈程度,此行為會經由彈簧結構傳遞至鄰近分子。

熱傳的原理
●熱傳發生的條件為存在溫度差,溫度差構成熱傳之推動力
●熱傳之方向必為溫度下降之方向
●熱傳率與温度梯度有關
由上述熱傳原理得知熱的傳遞,是靠溫差來驅動

因此,LED燈具散熱主要利用溫差,將LED工作時所產生的熱,經由精心規劃的熱傳導路徑,將熱直接傳導至燈具外部,再藉由燈具本身與空氣之間形成的溫度差,讓熱自然輻射釋放至周遭空氣中;最後,讓空氣將熱帶走。

熱有三種傳遞機制:傳導、對流、輻射
傳導Conduction:
能量從高振動分子傳遞到相鄰的分子,即高溫往低溫流動。
基本公式為:
Q代表熱量,也就是熱傳導所產生或傳導的量
K為材料的熱傳導係數
A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)
代表兩端的溫度差
ΔL則是兩端的距離

從公式我們可以了解到熱量傳導的大小與熱傳導係數和傳熱面積皆成正比,而與距離成反比。若某零件具備較高熱傳導係數、較大熱傳遞面積或較短的傳輸距離,那麼熱傳導的量就越高,也就越容易帶走熱量。

對流Convection:

能量在固體表面與接觸的流體(氣體或液體)間傳遞,流體升溫後形成熱流,熱流隨溫度的提升,密度跟著下降,因此,熱流比冷流輕,往上升之後,原本空間會被冷流給取代。對流可說是傳導和流體運動的綜合表現。
基本公式為:
Q代表熱量,也就是熱對流所帶走的量
H為熱對流係數值
A則代表熱對流的有效接觸面積
ΔT代表固體表面與區域流體之間的溫度差

從公式我們可以了解到熱對流傳遞中,熱量傳遞的數量與熱對流係數、有效接觸面積和溫度差成正比關係;熱對流係數越高、有效接觸面積越大、溫度差越高,所能帶走的熱量也就越多。
熱對流依動力來源可區分為:
強制對流:流動運動由人為的方式產生。
自然對流:流場溫度造成密度不平均,在自然重力場作用下,密度小的流體會往上升,密度大的流體會下降,兩者相互作用所產生的自然現象。

輻射Radiation:

當物質內原子或分子中之電子組成改變時,能量會以電磁波來傳遞;可以在沒有任何介質的情況下,不需任何接觸,就能夠發生熱交換的傳遞方式。
基本公式為:
Q代表熱輻射所交換的能力
E是物體表面的熱輻射係數
S是物體的表面積
F則是熱輻射交換的角度和表面的函數關係,但這個函數較難以解釋
則是"A物體"的表面溫度與"B物體"的表面溫度差

從公式我們可以了解到熱輻射量與熱輻射係數、物體表面積大小與溫度差三者之間,都存在正比關係。而在實際中,當物質為金屬且表面光亮的情況下,熱輻射係數比較小,而把金屬進行表面處理後(比如著色)其表面熱輻射係數值就會提升。塑料或非金屬類的熱輻射係數值都比較高。

綜合以上三種熱傳遞機制,可以了解熱傳遞有三個絕對關係:

一、溫差愈高,傳遞量愈大。
二、空氣接觸面積愈大,傳遞量愈大。熱傳導性能則為:石墨>金屬固體>非金屬固體>液體>氣體
三、距離熱點越近熱傳較果越佳;反之,距離熱點越遠,熱傳越差。

綜合考量此三種傳遞機制應用在LED散熱上的可行性,唯有熱傳導性能是人體能夠立即感受到,且可性行與可靠性最高;而熱對流與熱輻射兩種性能無法靠人體感官來感受,需要靠實驗與儀器檢測才能驗證其效果。在應用上,長度越長熱傳效果越差且增加成本,唯有增加總面積(空氣接觸面積)的方式,可以應用在燈具散熱構造且不會對LED元件造成不良影響;因此,目前各大廠家皆專注於擴大散熱元件的表面積。而表面積與熱點之距離、形狀、角度,又有散熱效率之高低的差異,唯有透過軟體模擬與實際測試才能得知整體之散熱性能。

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