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

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(cè)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。