環境溫度及風速對LED照明產品散熱的影響分

隨著環境溫度的升高，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，通過增大材料發射率來強化輻射換熱就不是很有效。

(4)環境溫度升高時，對流傳熱減弱會引起照明產品與環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節的熱阻逐漸減小，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節的熱阻較大，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境溫度(如23.0℃)下進行，產品在其他環境溫度(如45.O℃ ，用于模擬產品實際使用環境的溫度)下各點的溫度可以通過扣除測試時的環境溫度與其他環境溫度的差值來近似計算。例如，在23.0℃環境下測得某LED照明產品管腳的溫度為50.0℃ ，可以認為該產品在25.0~C環境溫度時，LED管腳溫度同樣升高2.0℃ 到52.0qC;在45.O℃ 環境溫度時，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勢。

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