環境溫度及風速對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照明產品的開發成為熱點。但是，由于LED本身發熱量較大，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、色度和電氣參數以及可靠性等，因此，散熱設計是LED照明產品開發的關鍵技術之一。

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，其散熱受環境風速的影響也較大。所以，分析環境溫度(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：398W/(m ·K))圓柱模塊代替，發熱量4.25W;

LED基座和散熱器材料都為鋁合金AA6063(導熱系數：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，導熱系數設為0.3 W/(m·K)。

2 環境溫度對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的數據可以得到以下結論：

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

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傳熱系數的計算式如下(1)

其中，h為對流傳熱的表面傳熱系數，w/(m² ·K);Nu為努賽爾數;Gr為格拉曉夫數，表示浮升力與粘性力的比值;λ為空氣的導熱系數，w/(m ·K);L為特征長度，m;Pr為空氣普朗特數; 為空氣的體積膨脹系數，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。

隨著環境溫度升高，空氣的Pr、 αν=1/T 減小，A、ν增大，其余參數大小不變，所以導致Nu減小，即表面傳熱系數h減小。

(2)隨著環境溫度的升高，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。