LED照明燈具傳熱系統探究

張振明

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

關鍵詞：輻射，對流，熱設計，熱管理

一、 LED照明產品熱設計的原則

LED熱設計涉及傳熱學、工程流體力學和人機工程學領域，其熱能傳遞含熱傳導、熱對流和熱輻射三種途徑。對LED燈具進行熱管理，可以控制LED結溫和散熱器外表溫度，也可以將散熱器最優化，將燈具成本和整機性能取到一個平衡點。進行熱設計時，我們根據LED照明產品的結構特點，兼顧LED和驅動兩部分，努力降低LED和驅動電子元器件的溫度，同時要求散熱設計簡單、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象，按照產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部微觀粒子的熱運動狀態改變時激發出來的，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為輻射能，向外發出熱輻射。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：? ? 為實際物體的發射率，習慣上稱黑度

為黑體輻射系數，其值為5.67W/（m2*K4）

T? ? 為實際物體的熱力學溫度，單位為K

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

2.常見物體發射率

物體表面的發射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。金屬的發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）的關系不大，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， 為達到IP等級、防蚊蟲、和減少光外漏效果，一般把光源面設計在封閉的腔體內，導致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元件上，屬于內部熱交換，對于整個燈具散熱而言無意義。由于COB發光面較少，經計算輻射轉移的熱量只有0.9W。

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

下面我們考慮COB膠體在130℃下的散熱情況：

如果我們去除光學元件，我們計算一下此時COB膠體可以貢獻多少散熱，假設COB膠體與空氣界面溫度130℃，膠體發射率0.9，環境溫度25℃，換熱系數取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，光源面對散熱貢獻為1.82W，占總體散熱比例為7.5%，可以抵消熒光粉光轉換產生的熱量。

3.3 LED散熱器對流和輻射傳熱

基于3.2的計算結果，我們發現同面積同溫度下，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，我們下文對此進行比較。為簡化模型，假設散熱器外表恒溫60℃，散熱器為ADC12表面黑色氧化處理，法向發射率為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：此處要注意室內燈具對于房間而言，其外表面的角系數均可看成是1。

基于散熱而言（此處不是基于導熱方面），散熱器設計主要為了有效散熱面積，由于室內燈具特殊性，發生輻射傳熱的表面必然發生對流，發生對流表面未必輻射出能量。所以設計時，在允許內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，減少內部封閉面積。針對燈具封閉腔體，盡可以設置一進氣口和出氣口，提高對流散熱

三、LED室內燈具散熱設計總結

對于LED室內燈具，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”地段設置為輻射散熱，盡可能避免封閉腔、有進無出或有出無進的“死”區。

參考文獻

[1] 楊世銘，陶文栓. 《傳熱學》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化設計[D].寧波大學，2013.