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[導讀]前言LED技術的迅速發(fā)展對其在照明領域的應用起到了極大的促進作用,大功率LED照明產品的開發(fā)成為熱點。但是,由于LED本身發(fā)熱量較大,并且屬于溫度敏感器件,結溫升高會影響LED的光效、光色(波長)、色溫、光形(配光)

前言

LED技術的迅速發(fā)展對其在照明領域的應用起到了極大的促進作用,大功率LED照明產品的開發(fā)成為熱點。但是,由于LED本身發(fā)熱量較大,并且屬于溫度敏感器件,結溫升高會影響LED的光效、光色(波長)、色溫、光形(配光)、正向電壓、最大注入電流等光度、色度和電氣參數(shù)以及可靠性等,因此,散熱設計是LED照明產品開發(fā)的關鍵技術之一。

目前LED照明產品大多采用自然對流冷卻(散熱)方式。相對于強制對流冷卻方式,自然對流冷卻的電子產品其輻射換熱量所占比例較大,其散熱受環(huán)境風速的影響也較大。所以,分析環(huán)境溫度(對熱輻射影響較大)及風速對自然對流冷卻的LED照明產品散熱的影響十分重要,對LED照明產品的熱分析及熱測試都具有重要的意義。

1、熱仿真模型

本研究所采用的熱仿真模型如圖1所示。

熱仿真條件如下:

環(huán)境溫度:25.0oC;

熱輻射背景溫度:25.0~C;

LED熱源模型用紫銅(導熱系數(shù):398W/(m ·K))圓柱模塊代替,發(fā)熱量4.25W;

 

 

LED基座和散熱器材料都為鋁合金AA6063(導熱系數(shù):201W/(m·K));基座外圓柱面與散熱器內圓柱面貼合,不考慮兩者之間的接觸熱阻;

另外,圖1(f)和圖1(g)中產品的上、下端蓋材料為塑料,導熱系數(shù)設為0.3 W/(m·K)。

2 環(huán)境溫度對LED照明產品散熱的影響

改變熱仿真模型中的材料發(fā)射率以及散熱器結構,進行熱仿真實驗,結果如表1所示。

 

 

從表1的數(shù)據(jù)可以得到以下結論:

(1)對于實驗1,材料表面發(fā)射率為0,即不考慮熱輻射。此時,隨著環(huán)境溫度的升高,熱源與環(huán)境間的溫差有所增大。原因是由于隨著環(huán)境溫度的升高,空氣的屬性會有一定的變化,會引起對流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的降低。

例如,對于大空間自然對流傳熱,水平板熱面向上與向下的情形,均勻加熱條件下平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式如下(1)

 

 

其中,h為對流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),w/(m² ·K);Nu為努賽爾數(shù);Gr為格拉曉夫數(shù),表示浮升力與粘性力的比值;λ為空氣的導熱系數(shù),w/(m ·K);L為特征長度,m;Pr為空氣普朗特數(shù); 為空氣的體積膨脹系數(shù),1/K;q為對流傳熱表面的熱流密度,w/m²; 為空氣的運動粘度,m/s² ;曰、m為常數(shù)。

隨著環(huán)境溫度升高,空氣的Pr、 αν=1/T 減小,A、ν增大,其余參數(shù)大小不變,所以導致Nu減小,即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h減小。

(2)隨著環(huán)境溫度的升高,照明產品外表面輻射換熱量逐漸增大,輻射換熱有所強化,輻射換熱量占熱源總熱量的比例逐漸增大,見圖2。

 

 

隨著環(huán)境溫度的升高,輻射換熱量之所以有所增大,是因為輻射換熱量與熱源及冷源絕對溫度4次方的差值成正比。

例如,一個表面積為A1(m²),表面溫度為T1(K),發(fā)射率為ε的物體被包容在一個很大的表面絕對溫度為T2(K)的空腔內,此物體與空腔表面間的輻射換熱量Q(K)可以用公式(4)計算。

式(4)中,ε1σA1 沒有變化,如果T1、T2增大相同的值,則Q必然增大。所以熱平衡的結果是輻射換熱量Q有所增大,T1、T2的差值△T有所減小。并且,輻射換熱量所占比例越大,隨著環(huán)境溫度的升高,△T減小得越明顯。

同時,由于輻射換熱量的強化,以及由此導致的△T減小,所以照明產品外表面對流傳熱量會有所減小。

(3)對于實驗5,由于散熱器2外部結構比較簡單,導致輻射換熱量占熱源總熱量的比例與實驗4相比增大很多。所以,對于簡單的散熱結構,或者說對于如圖3(a)所示的凸表面,輻射換熱量所占的比例較大,此時,通過增大材料發(fā)射率來強化輻射換熱更為有效。而對于圖3(b)所示的凹表面,熱輻射換熱量所占比例較小,通過增大材料發(fā)射率來強化輻射換熱就不是很有效。

 

 

(4)環(huán)境溫度升高時,對流傳熱減弱會引起照明產品與環(huán)境的溫差稍微有所增大;但是另一方面,輻射換熱的增強會引起照明產品與環(huán)境的溫差減小。

熱仿真結果表明,在輻射換熱量所占比例小于35%的情況下,照明產品與環(huán)境之間的溫差變化可以忽略不計(參見表1中實驗1~實驗4的結果)。

3 環(huán)境風速對LED照明產品散熱的影響

對于熱仿真模型(散熱器1),表2和圖4給出了環(huán)境中風向分別為水平向右、豎直向上和豎直向下,風速從0到1.50 m/s時,照明產品熱源溫度的變化。

從表2或圖4可以看出,空氣流速對LED照明產品的散熱影響較大。所以,LED照明產品熱測試環(huán)境內的風速最好控制在0.1m/s以內,尤其是在豎直方向要盡量減小環(huán)境風速的影響。

 

 

 

 

從圖4還可以看出,隨著風速的增大,LED溫度的變化逐漸變慢。原因是隨著風速的增大,對流及輻射復合換熱環(huán)節(jié)的熱阻逐漸減小,此時LED照明產品的熱阻主要取決于LED到照明產品外表面之間的導熱熱阻,所以,此時增大風速對改善散熱的效果已經不明顯。

相反,如果自然對流冷卻的LED照明產品外表面對流及熱輻射復合換熱環(huán)節(jié)的熱阻較大,而照明產品內LED到照明產品外表面的導熱熱阻相對較小,此時增大照明產品導熱材料的導熱性對LED照明產品散熱的改善也會不明顯。

圖5為風速豎直向下并且風速較小時,LED照明產品最高溫度的變化情況。豎直向下的風速因為與空氣自然對流方向相反,所以LED照明產品的溫度剛開始會有波動并會升高。環(huán)境風速增大到一定程度后,LED照明產品的溫度開始降低。

 

 

4 小結

本文采用熱仿真的方法分析了環(huán)境溫度及風速對LED照明產品散熱的影響。分析結果表明,一般情況下,對于自然對流冷卻的LED照明產品,其熱測試可以在某一環(huán)境溫度(如23.0℃)下進行,產品在其他環(huán)境溫度(如45.O℃ ,用于模擬產品實際使用環(huán)境的溫度)下各點的溫度可以通過扣除測試時的環(huán)境溫度與其他環(huán)境溫度的差值來近似計算。例如,在23.0℃環(huán)境下測得某LED照明產品管腳的溫度為50.0℃ ,可以認為該產品在25.0~C環(huán)境溫度時,LED管腳溫度同樣升高2.0℃ 到52.0qC;在45.O℃ 環(huán)境溫度時,LED管腳溫度將升高22.0℃ ,達 72.0℃ 。

但是自然對流冷卻的LED照明產品的熱測試最好在無對流風的環(huán)境中進行,或者在文獻[2—5]中描述的無對流風試驗箱(自然對流試驗箱、防風罩)內進行,以減小環(huán)境風速對其散熱的影響。

由于任何結果都有產生的原因,所以分析原因是改善結果的根本途徑。熱量傳遞只有3種方式,理論上較為簡單,但是3種傳熱方式交叉在一起,分析起來又有困難。借助熱仿真軟件,將以不同方式傳遞的熱量分開來進行分析,是電子產品熱分析的一個重要方法,也是電子產品熱仿真相對于熱測試的一個很大優(yōu)勢。

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