環(huán)境溫度及風速對LED照明產品散熱的影響分

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。

更多資訊請關注：21ic照明頻道