環(huán)境溫度及風(fēng)速對(duì)LED照明產(chǎn)品散熱的影響分

前言

LED技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用起到了極大的促進(jìn)作用，大功率LED照明產(chǎn)品的開發(fā)成為熱點(diǎn)。但是，由于LED本身發(fā)熱量較大，并且屬于溫度敏感器件，結(jié)溫升高會(huì)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(shè)計(jì)是LED照明產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前LED照明產(chǎn)品大多采用自然對(duì)流冷卻(散熱)方式。相對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式，自然對(duì)流冷卻的電子產(chǎn)品其輻射換熱量所占比例較大，其散熱受環(huán)境風(fēng)速的影響也較大。所以，分析環(huán)境溫度(對(duì)熱輻射影響較大)及風(fēng)速對(duì)自然對(duì)流冷卻的LED照明產(chǎn)品散熱的影響十分重要，對(duì)LED照明產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)：201W/(m·K));基座外圓柱面與散熱器內(nèi)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(chǎn)品的上、下端蓋材料為塑料，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為0.3 W/(m·K)。

2 環(huán)境溫度對(duì)LED照明產(chǎn)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(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

從表1的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于實(shí)驗(yàn)1，材料表面發(fā)射率為0，即不考慮熱輻射。此時(shí)，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(huì)有一定的變化，會(huì)引起對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的降低。

例如，對(duì)于大空間自然對(duì)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(jì)算式如下(1)

其中，h為對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)，w/(m ·K);L為特征長度，m;Pr為空氣普朗特?cái)?shù); 為空氣的體積膨脹系數(shù)，1/K;q為對(duì)流傳熱表面的熱流密度，w/m²; 為空氣的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(chǎn)品外表面輻射換熱量逐漸增大，輻射換熱有所強(qiáng)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?yàn)檩椛鋼Q熱量與熱源及冷源絕對(duì)溫度4次方的差值成正比。

例如，一個(gè)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(gè)很大的表面絕對(duì)溫度為T2(K)的空腔內(nèi)，此物體與空腔表面間的輻射換熱量Q(K)可以用公式(4)計(jì)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(jié)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(shí)，由于輻射換熱量的強(qiáng)化，以及由此導(dǎo)致的△T減小，所以照明產(chǎn)品外表面對(duì)流傳熱量會(huì)有所減小。

(3)對(duì)于實(shí)驗(yàn)5，由于散熱器2外部結(jié)構(gòu)比較簡單，導(dǎo)致輻射換熱量占熱源總熱量的比例與實(shí)驗(yàn)4相比增大很多。所以，對(duì)于簡單的散熱結(jié)構(gòu)，或者說對(duì)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(shí)，通過增大材料發(fā)射率來強(qiáng)化輻射換熱更為有效。而對(duì)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(qiáng)化輻射換熱就不是很有效。

(4)環(huán)境溫度升高時(shí)，對(duì)流傳熱減弱會(huì)引起照明產(chǎn)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(qiáng)會(huì)引起照明產(chǎn)品與環(huán)境的溫差減小。

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

3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)LED照明產(chǎn)品散熱的影響

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

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

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

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

圖5為風(fēng)速豎直向下并且風(fēng)速較小時(shí)，LED照明產(chǎn)品最高溫度的變化情況。豎直向下的風(fēng)速因?yàn)榕c空氣自然對(duì)流方向相反，所以LED照明產(chǎn)品的溫度剛開始會(huì)有波動(dòng)并會(huì)升高。環(huán)境風(fēng)速增大到一定程度后，LED照明產(chǎn)品的溫度開始降低。

4 小結(jié)

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

但是自然對(duì)流冷卻的LED照明產(chǎn)品的熱測試最好在無對(duì)流風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，或者在文獻(xiàn)[2—5]中描述的無對(duì)流風(fēng)試驗(yàn)箱(自然對(duì)流試驗(yàn)箱、防風(fēng)罩)內(nèi)進(jìn)行，以減小環(huán)境風(fēng)速對(duì)其散熱的影響。

由于任何結(jié)果都有產(chǎn)生的原因，所以分析原因是改善結(jié)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(jìn)行分析，是電子產(chǎn)品熱分析的一個(gè)重要方法，也是電子產(chǎn)品熱仿真相對(duì)于熱測試的一個(gè)很大優(yōu)勢。

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