环境温度及风速对LED照明产品散热的影响分析[1]

　　前言

　　LED技术的迅速发展对其在照明领域的应用起到了极大的促进作用，大功率LED照明产品的开发成为热点。但是，由于LED本身发热量较大，并且属于温度敏感器件，结温升高会影响LED的光效、光色(波长)、色温、光形(配光)、正向电压、最大注入电流等光度、色度和电气参数以及可靠性等，因此，散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。

　　目前LED照明产品大多采用自然对流冷却(散热)方式。相对于强制对流冷却方式，自然对流冷却的电子产品其辐射换热量所占比例较大，其散热受环境风速的影响也较大。所以，分析环境温度(对热辐射影响较大)及风速对自然对流冷却的LED照明产品散热的影响十分重要，对LED照明产品的热分析及热测试都具有重要的意义。

　　1、热仿真模型

　　本研究所采用的热仿真模型如图1所示。

　　热仿真条件如下：
　　环境温度：25.0oC;
　　热辐射背景温度：25.0~C;
　　LED热源模型用紫铜(导热系数：398W/(m ·K))圆柱模块代替，发热量4.25W;

　　LED基座和散热器材料都为铝合金AA6063(导热系数：201W/(m·K));基座外圆柱面与散热器内圆柱面贴合，不考虑两者之间的接触热阻;

　　另外，图1(f)和图1(g)中产品的上、下端盖材料为塑料，导热系数设为0.3 W/(m·K)。

　　2 环境温度对LED照明产品散热的影响

　　改变热仿真模型中的材料发射率以及散热器结构，进行热仿真实验，结果如表1所示。

　　从表1的数据可以得到以下结论：

　　(1)对于实验1，材料表面发射率为0，即不考虑热辐射。此时，随着环境温度的升高，热源与环境间的温差有所增大。原因是由于随着环境温度的升高，空气的属性会有一定的变化，会引起对流传热的表面传热系数的降低。

　　例如，对于大空间自然对流传热，水平板热面向上与向下的情形，均匀加热条件下平均表面传热系数的计算式如下（1）

　　其中，h为对流传热的表面传热系数，w/(m² ·K);Nu为努赛尔数;Gr为格拉晓夫数，表示浮升力与粘性力的比值;λ为空气的导热系数，w/(m ·K);L为特征长度，m;Pr为空气普朗特数; 为空气的体积膨胀系数，1/K;q为对流传热表面的热流密度，w/m²; 为空气的运动粘度，m/s² ;曰、m为常数。

　　随着环境温度升高，空气的Pr、 αν=1/T 减小，A、ν增大，其余参数大小不变，所以导致Nu减小，即表面传热系数h减小。

　　(2)随着环境温度的升高，照明产品外表面辐射换热量逐渐增大，辐射换热有所强化，辐射换热量占热源总热量的比例逐渐增大，见图2。