LED照明燈具傳熱系統(tǒng)探究

張振明

摘? ?要：本文從LED燈具熱設(shè)計原則、LED基板和散熱器散熱三個方面，探究LED照明燈具熱設(shè)計中對流傳熱和輻射傳熱。

關(guān)鍵詞：輻射，對流，熱設(shè)計，熱管理

一、 LED照明產(chǎn)品熱設(shè)計的原則

LED熱設(shè)計涉及傳熱學(xué)、工程流體力學(xué)和人機工程學(xué)領(lǐng)域，其熱能傳遞含熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種途徑。對LED燈具進(jìn)行熱管理，可以控制LED結(jié)溫和散熱器外表溫度，也可以將散熱器最優(yōu)化，將燈具成本和整機性能取到一個平衡點。進(jìn)行熱設(shè)計時，我們根據(jù)LED照明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，兼顧LED和驅(qū)動兩部分，努力降低LED和驅(qū)動電子元器件的溫度，同時要求散熱設(shè)計簡單、可靠。

二、LED照明燈具輻射和對流傳熱

1.輻射傳熱簡介

輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象，按照產(chǎn)生電磁波的不同原因可以得到不同頻率的電磁波，由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射成為熱輻射（thermal radiation），熱輻射的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時激發(fā)出來的，只要物體的溫度高于“絕對零度”（即0K），物體總是不斷的把熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出熱輻射。同時物體亦不斷地吸收周圍物體投射到它表面上的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。輻射傳熱就是物體之間相互輻射和吸收的總效果。

實際物體的輻射力可以表示成：

其中：? ? 為實際物體的發(fā)射率，習(xí)慣上稱黑度

為黑體輻射系數(shù)，其值為5.67W/（m2*K4）

T? ? 為實際物體的熱力學(xué)溫度，單位為K

熱輻射不需要其他介質(zhì)存在，而且在真空中傳遞的效率最高。當(dāng)輻射能進(jìn)入固體，在一個極短的距離就被吸收完了，對于金屬導(dǎo)體，這一距離只有1μm的數(shù)量級，對于大多數(shù)非導(dǎo)電材料，這一距離亦小于1mm，對于燈具材料而言，可認(rèn)為固體和液體不允許熱輻射穿透。

2.常見物體發(fā)射率

物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。金屬的發(fā)射率隨表面溫度上升而增大，隨表面光潔度的升高而降低。大部分非金屬材料的發(fā)射率都很高，一般在0.85～0.95之間，且與表面狀況（包括顏色在內(nèi)）的關(guān)系不大，在缺乏資料時，可近似取作0.9。

3.LED光源面輻射和對流傳熱

COB光源面具有以下特點：

3.1 COB光源面較小， 為達(dá)到IP等級、防蚊蟲、和減少光外漏效果，一般把光源面設(shè)計在封閉的腔體內(nèi)，導(dǎo)致LED光源面只有熱輻射傳熱。對于封閉空間的光源面，其將部分熱量輻射給光學(xué)元件上，屬于內(nèi)部熱交換，對于整個燈具散熱而言無意義。由于COB發(fā)光面較少，經(jīng)計算輻射轉(zhuǎn)移的熱量只有0.9W。

3.2分布在硅膠內(nèi)的熒光粉在吸收光并將光轉(zhuǎn)化成其他波長的光的同時也產(chǎn)生熱量，所以LED光源最高溫度在熒光粉膠內(nèi)，這部分能量占光能的15-30%，對于40WCOB受熒光粉激發(fā)產(chǎn)生熱量為2.3W～4.6W，所以最高溫度位于膠體而非芯片結(jié)溫。至此，COB的膠體為一個熱源，單位時間內(nèi)產(chǎn)生熱量為1.4W～2W，這部分熱量僅靠發(fā)光面大小的面積輻射轉(zhuǎn)移到燈體上，從而導(dǎo)致膠體溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LED結(jié)溫。

下面我們考慮COB膠體在130℃下的散熱情況：

如果我們?nèi)コ鈱W(xué)元件，我們計算一下此時COB膠體可以貢獻(xiàn)多少散熱，假設(shè)COB膠體與空氣界面溫度130℃，膠體發(fā)射率0.9，環(huán)境溫度25℃，換熱系數(shù)取5W/（m2*K）。

對流傳熱散熱量：

輻射傳熱散熱量：

輻射傳熱能量為對流傳熱能量的2.5倍，光源面對散熱貢獻(xiàn)為1.82W，占總體散熱比例為7.5%，可以抵消熒光粉光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量。

3.3 LED散熱器對流和輻射傳熱

基于3.2的計算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)同面積同溫度下，輻射傳熱帶走的熱量大于對流傳熱，對于LED燈具散熱器而言情況會如何，我們下文對此進(jìn)行比較。為簡化模型，假設(shè)散熱器外表恒溫60℃，散熱器為ADC12表面黑色氧化處理，法向發(fā)射率為0.78，此處不考慮燈具組件相互輻射，因為這部分輻射再次由燈具完全吸收，對輻射散熱無關(guān)緊要。

3.3.1對流散熱表面

對流傳熱散去的熱量：

我們可以計算對流傳熱散出去1W熱量需要散熱面積：

3.3.2輻射散熱表面

輻射傳熱散去的熱量：

我們可以計算輻射傳熱散出去1W熱量需要散熱面積：

3.3.3輻射和對流表面

對于燈具總散熱量

我們可以計算出對于角系數(shù)為1的表面通過對流和輻射散出去1W需要散熱面積

注：此處要注意室內(nèi)燈具對于房間而言，其外表面的角系數(shù)均可看成是1。

基于散熱而言（此處不是基于導(dǎo)熱方面），散熱器設(shè)計主要為了有效散熱面積，由于室內(nèi)燈具特殊性，發(fā)生輻射傳熱的表面必然發(fā)生對流，發(fā)生對流表面未必輻射出能量。所以設(shè)計時，在允許內(nèi)盡可能增大燈具有效輻射面積，其次增大燈具有效對流面積，減少內(nèi)部封閉面積。針對燈具封閉腔體，盡可以設(shè)置一進(jìn)氣口和出氣口，提高對流散熱

三、LED室內(nèi)燈具散熱設(shè)計總結(jié)

對于LED室內(nèi)燈具，盡可能提高有效輻射面積，其次增加對流散熱通道，提高對流面積，盡可能將“高溫”地段設(shè)置為輻射散熱，盡可能避免封閉腔、有進(jìn)無出或有出無進(jìn)的“死”區(qū)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊世銘，陶文栓. 《傳熱學(xué)》第四版.高等教育出版社.2006.8：351

[2]劉海林. 大功率LED燈具散熱封裝組件的優(yōu)化設(shè)計[D].寧波大學(xué)，2013.