环境温度及风速对LED照明产品散热的影响分

前言

LED技术的迅速发展对其在照明领域的应用起到了极大的促进作用，大功率LED照明产品的开发成为热点。但是，由于LED本身发热量较大，并且属于温度敏感器件，结温升高会影响LED的光效、光色(波长)、色温、光形(配光)、正向电压、最大注入电流等光度、色度和电气参数以及可靠性等，因此，散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。

目前LED照明产品大多采用自然对流冷却(散热)方式。相对于强制对流冷却方式，自然对流冷却的电子产品其辐射换热量所占比例较大，其散热受环境风速的影响也较大。所以，分析环境温度(对热辐射影响较大)及风速对自然对流冷却的LED照明产品散热的影响十分重要，对LED照明产品的热分析及热测试都具有重要的意义。

1、热仿真模型

本研究所采用的热仿真模型如图1所示。

热仿真条件如下：

环境温度：25.0oC;

热辐射背景温度：25.0~C;

LED热源模型用紫铜(导热系数：398W/(m ·K))圆柱模块代替，发热量4.25W;

LED基座和散热器材料都为铝合金AA6063(导热系数：201W/(m·K));基座外圆柱面与散热器内圆柱面贴合，不考虑两者之间的接触热阻;

另外，图1(f)和图1(g)中产品的上、下端盖材料为塑料，导热系数设为0.3 W/(m·K)。

2 环境温度对LED照明产品散热的影响

改变热仿真模型中的材料发射率以及散热器结构，进行热仿真实验，结果如表1所示。

从表1的数据可以得到以下结论：

(1)对于实验1，材料表面发射率为0，即不考虑热辐射。此时，随着环境温度的升高，热源与环境间的温差有所增大。原因是由于随着环境温度的升高，空气的属性会有一定的变化，会引起对流传热的表面传热系数的降低。

例如，对于大空间自然对流传热，水平板热面向上与向下的情形，均匀加热条件下平均表面传热系数的计算式如下(1)

其中，h为对流传热的表面传热系数，w/(m² ·K);Nu为努赛尔数;Gr为格拉晓夫数，表示浮升力与粘性力的比值;λ为空气的导热系数，w/(m ·K);L为特征长度，m;Pr为空气普朗特数; 为空气的体积膨胀系数，1/K;q为对流传热表面的热流密度，w/m²; 为空气的运动粘度，m/s² ;曰、m为常数。

随着环境温度升高，空气的Pr、 αν=1/T 减小，A、ν增大，其余参数大小不变，所以导致Nu减小，即表面传热系数h减小。

(2)随着环境温度的升高，照明产品外表面辐射换热量逐渐增大，辐射换热有所强化，辐射换热量占热源总热量的比例逐渐增大，见图2。

随着环境温度的升高，辐射换热量之所以有所增大，是因为辐射换热量与热源及冷源绝对温度4次方的差值成正比。

例如，一个表面积为A1(m²)，表面温度为T1(K)，发射率为ε的物体被包容在一个很大的表面绝对温度为T2(K)的空腔内，此物体与空腔表面间的辐射换热量Q(K)可以用公式(4)计算。

式(4)中，ε1σA1 没有变化，如果T1、T2增大相同的值，则Q必然增大。所以热平衡的结果是辐射换热量Q有所增大，T1、T2的差值△T有所减小。并且，辐射换热量所占比例越大，随着环境温度的升高，△T减小得越明显。

同时，由于辐射换热量的强化，以及由此导致的△T减小，所以照明产品外表面对流传热量会有所减小。

(3)对于实验5，由于散热器2外部结构比较简单，导致辐射换热量占热源总热量的比例与实验4相比增大很多。所以，对于简单的散热结构，或者说对于如图3(a)所示的凸表面，辐射换热量所占的比例较大，此时，通过增大材料发射率来强化辐射换热更为有效。而对于图3(b)所示的凹表面，热辐射换热量所占比例较小，通过增大材料发射率来强化辐射换热就不是很有效。

(4)环境温度升高时，对流传热减弱会引起照明产品与环境的温差稍微有所增大;但是另一方面，辐射换热的增强会引起照明产品与环境的温差减小。

热仿真结果表明，在辐射换热量所占比例小于35%的情况下，照明产品与环境之间的温差变化可以忽略不计(参见表1中实验1～实验4的结果)。

3 环境风速对LED照明产品散热的影响

对于热仿真模型(散热器1)，表2和图4给出了环境中风向分别为水平向右、竖直向上和竖直向下，风速从0到1.50 m/s时，照明产品热源温度的变化。

从表2或图4可以看出，空气流速对LED照明产品的散热影响较大。所以，LED照明产品热测试环境内的风速最好控制在0.1m/s以内，尤其是在竖直方向要尽量减小环境风速的影响。

从图4还可以看出，随着风速的增大，LED温度的变化逐渐变慢。原因是随着风速的增大，对流及辐射复合换热环节的热阻逐渐减小，此时LED照明产品的热阻主要取决于LED到照明产品外表面之间的导热热阻，所以，此时增大风速对改善散热的效果已经不明显。

相反，如果自然对流冷却的LED照明产品外表面对流及热辐射复合换热环节的热阻较大，而照明产品内LED到照明产品外表面的导热热阻相对较小，此时增大照明产品导热材料的导热性对LED照明产品散热的改善也会不明显。

图5为风速竖直向下并且风速较小时，LED照明产品最高温度的变化情况。竖直向下的风速因为与空气自然对流方向相反，所以LED照明产品的温度刚开始会有波动并会升高。环境风速增大到一定程度后，LED照明产品的温度开始降低。

4 小结

本文采用热仿真的方法分析了环境温度及风速对LED照明产品散热的影响。分析结果表明，一般情况下，对于自然对流冷却的LED照明产品，其热测试可以在某一环境温度(如23.0℃)下进行，产品在其他环境温度(如45.O℃ ，用于模拟产品实际使用环境的温度)下各点的温度可以通过扣除测试时的环境温度与其他环境温度的差值来近似计算。例如，在23.0℃环境下测得某LED照明产品管脚的温度为50.0℃ ，可以认为该产品在25.0~C环境温度时，LED管脚温度同样升高2.0℃ 到52.0qC;在45.O℃ 环境温度时，LED管脚温度将升高22.0℃ ，达 72.0℃ 。

但是自然对流冷却的LED照明产品的热测试最好在无对流风的环境中进行，或者在文献[2—5]中描述的无对流风试验箱(自然对流试验箱、防风罩)内进行，以减小环境风速对其散热的影响。

由于任何结果都有产生的原因，所以分析原因是改善结果的根本途径。热量传递只有3种方式，理论上较为简单，但是3种传热方式交叉在一起，分析起来又有困难。借助热仿真软件，将以不同方式传递的热量分开来进行分析，是电子产品热分析的一个重要方法，也是电子产品热仿真相对于热测试的一个很大优势。

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