環(huán)境溫度及風速對LED照明產(chǎn)品散熱的影響分析

陳 飛，李 虎，代高林，陳 亮

（深圳創(chuàng)碩光業(yè)科技有限公司，廣東深圳 518000）

LED 在照明領(lǐng)域的使用越來越廣泛，由于LED照明產(chǎn)品本身發(fā)熱量較大，且屬于溫度敏感元件，溫度升高會影響LED 照明產(chǎn)品的光效、光色（波長）、色溫等關(guān)鍵參數(shù)指標以及工作可靠性，因此，散熱設(shè)計是LED 照明產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 熱仿真模型

文章采用的熱物理環(huán)境模擬仿真的實驗條件模型如圖1所示。熱環(huán)境實驗仿真實驗模型條件如下：環(huán)境溫度25.0℃；熱輻射背景溫度25.0℃；LED 熱源模型用優(yōu)質(zhì)紫銅[導熱系數(shù)：398W/（m·K）]圓柱模塊替代；LED 基座為鋁材，外圓柱面也必須與散熱器內(nèi)圓柱面充分貼合；另外，圖1（f）和（g）產(chǎn)品蓋體材料全部設(shè)計為硬質(zhì)塑料，導熱系數(shù)均為0.3W/（m·K）。

圖1 散熱器模型

2 環(huán)境溫度對戶外大功率LED照明產(chǎn)品散熱能力的影響

在熱模擬仿真模型中改變材料發(fā)射率和散熱器結(jié)構(gòu)進行熱模擬仿真實驗，通過分析實驗數(shù)據(jù)可知：

（1）當產(chǎn)品的材料發(fā)射率本身為0時，就不需要考慮熱輻射對LED 照明產(chǎn)品散熱產(chǎn)生的影響。隨著室外環(huán)境溫度持續(xù)地升高，室內(nèi)外空氣溫度的分布性質(zhì)都會相應發(fā)生變化，從而引起地表熱對流，降低了室外傳熱系數(shù)。目前對較高功率下的白光LED 的光電轉(zhuǎn)換效率（Wall-Plug-Efficiency WPE）的估算方法以及準確度，還沒有一個較為良好且高效率的方法可以對其進行估算。目前僅有大約15%～25%的光輸入功率會轉(zhuǎn)化成為能源，而其余的則可能會被轉(zhuǎn)換成光熱能。由于LED 晶片的尺寸很薄，因此，會使高功率的LED 芯片的每個晶片在單位面積上產(chǎn)生的發(fā)熱量（發(fā)熱密度）變得較高，這也使得LED 芯片的每個晶片的內(nèi)部交界面上的溫度值（JunCtion Temperature）提升較大，較容易造成晶片的過熱老化問題，使得LED 整體的亮度有得降低，其中以紅光模組的發(fā)光亮度衰減得最為明顯。

（2）照明產(chǎn)品外表面輻射換熱量隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，使輻射的換熱能力加強，輻射換熱量占熱源總熱量的比例增加，如圖2所示。

圖2 輻射換熱量占熱源總熱量的比例

隨著環(huán)境溫度的升高，輻射換熱量會逐漸增加，這是因為輻射換熱量和熱源及冷源絕對溫度的4次方的差值成正比。例如，一個物體表面積為A1(m2），表面溫度為T1（K）時，表面的熱發(fā)射率為ε1，放置在一個表面絕對溫度為T2（K）的空間中，則該物體和這個空間表面之間的輻射換熱量Q（K）可由式（1）計算而得。

式（1）中，ε1σA1沒有變化，若T1和T2同時增加，那么Q必須增加。所以熱平衡的結(jié)果就是輻射換熱量Q增加，T1和T2的差值△T減小。隨著環(huán)境溫度的升高，△T減小得越明顯。同時，由于輻射換熱量的增強，導致了△T減小，因此光源產(chǎn)品表面對流傳熱量將會減少。

3 環(huán)境風速對LED照明產(chǎn)品散熱的影響

散熱器1的熱仿真模型如圖3所示，環(huán)境模型中的風向依次變化為水平向右、豎直向上和豎直向下，風速的變化為0～1.50 m/s 時。從圖3 可以看出，風速對LED 照明產(chǎn)品的散熱性能影響較大。因此，對LED 照明產(chǎn)品進行熱測試時，環(huán)境風速最好控制在最大風速為0.1m/s 內(nèi)，特別是在垂直方向，盡量減少環(huán)境風速的影響。

圖3 不同的環(huán)境風向和風速對LED照明產(chǎn)品散熱的影響

從圖3中還可以看出，LED 照明產(chǎn)品的溫度變化速度隨著風速的增加而變得逐漸放緩。其根本原因是隨著風速的增加，對流及輻射的復合換熱的熱阻逐漸降低，此時LED 照明產(chǎn)品的熱阻主要是由LED 光源到照明產(chǎn)品的外表面之間的導熱熱阻決定的，因此，在這個時候再增大風速，對提高散熱的效果已然不明顯。反之，如果自然對流冷卻的LED 照亮產(chǎn)品外表面對流與熱輻射復合換熱時的熱阻較大，而LED 光源到照明產(chǎn)品的外表面之間的導熱熱阻較小時，此時，增加照明產(chǎn)品導熱材料的導熱性對LED 照明產(chǎn)品的散熱效果的提升也不會很明顯。

4 其他因素對散熱影響

與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品密封不同，大多數(shù)的電子產(chǎn)品上都設(shè)置有散熱通氣口，所以大多數(shù)的電子產(chǎn)品可以直接通過與空氣對流傳熱，達到散熱的目的。但LED照明產(chǎn)品采用的密封技術(shù)，限制了自身的散熱通力。在照明領(lǐng)域中有些散熱部件，例如接頭等，必須嚴格符合傳統(tǒng)燈具的尺寸規(guī)格（如MR16）和重量。因此，散熱模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計就會進一步受到限制。一些新技術(shù)也開始應用于LED 照明產(chǎn)品的設(shè)計中，如Par38，采用獨特的導熱鋁散熱材料與散熱設(shè)計，確保了燈具的高散熱效果，相較于傳統(tǒng)的LED 照明產(chǎn)品，Par38可以節(jié)能高達60%。

5 結(jié)束語

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(chǎn)品散熱效果的影響。根據(jù)結(jié)果可知，一般情況下，對于自然對流冷卻的LED 照明產(chǎn)品，其熱測試可以在某一環(huán)境溫度（如23.0℃ ）下進行，產(chǎn)品在其他環(huán)境溫度（如 45.0℃，用于模擬產(chǎn)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。但自然對流冷卻的LED 照明產(chǎn)品的熱測試最好在無對流風的環(huán)境中進行，或者在無對流風試驗箱內(nèi)進行，以減小環(huán)境風速對其散熱的影響。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行分析，是電子產(chǎn)品熱分析的一個重要方法，也是電子產(chǎn)品熱仿真相對于熱測試的一個很大優(yōu)勢。