LED照明灯具传热系统探究

张振明

摘   要：本文从LED灯具热设计原则、LED基板和散热器散热三个方面，探究LED照明灯具热设计中对流传热和辐射传热。

关键词：辐射，对流，热设计，热管理

一、 LED照明产品热设计的原则

LED热设计涉及传热学、工程流体力学和人机工程学领域，其热能传递含热传导、热对流和热辐射三种途径。对LED灯具进行熱管理，可以控制LED结温和散热器外表温度，也可以将散热器最优化，将灯具成本和整机性能取到一个平衡点。进行热设计时，我们根据LED照明产品的结构特点，兼顾LED和驱动两部分，努力降低LED和驱动电子元器件的温度，同时要求散热设计简单、可靠。

二、LED照明灯具辐射和对流传热

1.辐射传热简介

辐射是电磁波传递能量的现象，按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，由于热的原因而产生的电磁波辐射成为热辐射（thermal radiation），热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，只要物体的温度高于“绝对零度”（即0K），物体总是不断的把热能变为辐射能，向外发出热辐射。同时物体亦不断地吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射传热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。

实际物体的辐射力可以表示成：

其中：    为实际物体的发射率，习惯上称黑度

为黑体辐射系数，其值为5.67W/（m2*K4）

T    为实际物体的热力学温度，单位为K

热辐射不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高。当辐射能进入固体，在一个极短的距离就被吸收完了，对于金属导体，这一距离只有1μm的数量级，对于大多数非导电材料，这一距离亦小于1mm，对于灯具材料而言，可认为固体和液体不允许热辐射穿透。

2.常见物体发射率

物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。金属的发射率随表面温度上升而增大，随表面光洁度的升高而降低。大部分非金属材料的发射率都很高，一般在0.85～0.95之间，且与表面状况（包括颜色在内）的关系不大，在缺乏资料时，可近似取作0.9。

3.LED光源面辐射和对流传热

COB光源面具有以下特点：

3.1 COB光源面较小， 为达到IP等级、防蚊虫、和减少光外漏效果，一般把光源面设计在封闭的腔体内，导致LED光源面只有热辐射传热。对于封闭空间的光源面，其将部分热量辐射给光学元件上，属于内部热交换，对于整个灯具散热而言无意义。由于COB发光面较少，经计算辐射转移的热量只有0.9W。

3.2分布在硅胶内的荧光粉在吸收光并将光转化成其他波长的光的同时也产生热量，所以LED光源最高温度在荧光粉胶内，这部分能量占光能的15-30%，对于40WCOB受荧光粉激发产生热量为2.3W～4.6W，所以最高温度位于胶体而非芯片结温。至此，COB的胶体为一个热源，单位时间内产生热量为1.4W～2W，这部分热量仅靠发光面大小的面积辐射转移到灯体上，从而导致胶体温度远远高于LED结温。

下面我们考虑COB胶体在130℃下的散热情况：

如果我们去除光学元件，我们计算一下此时COB胶体可以贡献多少散热，假设COB胶体与空气界面温度130℃，胶体发射率0.9，环境温度25℃，换热系数取5W/（m2*K）。

对流传热散热量：

辐射传热散热量：

辐射传热能量为对流传热能量的2.5倍，光源面对散热贡献为1.82W，占总体散热比例为7.5%，可以抵消荧光粉光转换产生的热量。

3.3 LED散热器对流和辐射传热

基于3.2的计算结果，我们发现同面积同温度下，辐射传热带走的热量大于对流传热，对于LED灯具散热器而言情况会如何，我们下文对此进行比较。为简化模型，假设散热器外表恒温60℃，散热器为ADC12表面黑色氧化处理，法向发射率为0.78，此处不考虑灯具组件相互辐射，因为这部分辐射再次由灯具完全吸收，对辐射散热无关紧要。

3.3.1对流散热表面

对流传热散去的热量：

我们可以计算对流传热散出去1W热量需要散热面积：

3.3.2辐射散热表面

辐射传热散去的热量：

我们可以计算辐射传热散出去1W热量需要散热面积：

3.3.3辐射和对流表面

对于灯具总散热量

我们可以计算出对于角系数为1的表面通过对流和辐射散出去1W需要散热面积

注：此处要注意室内灯具对于房间而言，其外表面的角系数均可看成是1。

基于散热而言（此处不是基于导热方面），散热器设计主要为了有效散热面积，由于室内灯具特殊性，发生辐射传热的表面必然发生对流，发生对流表面未必辐射出能量。所以设计时，在允许内尽可能增大灯具有效辐射面积，其次增大灯具有效对流面积，减少内部封闭面积。针对灯具封闭腔体，尽可以设置一进气口和出气口，提高对流散热

三、LED室内灯具散热设计总结

对于LED室内灯具，尽可能提高有效辐射面积，其次增加对流散热通道，提高对流面积，尽可能将“高温”地段设置为辐射散热，尽可能避免封闭腔、有进无出或有出无进的“死”区。

参考文献

[1] 杨世铭，陶文栓. 《传热学》第四版.高等教育出版社.2006.8：351

[2]刘海林. 大功率LED灯具散热封装组件的优化设计[D].宁波大学，2013.