LED灯具散热的计算模型

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  摘要:本文对灯具的热传导计算方法进行了讨论,提出对于灯具的散热计算方法使用等效电路(Electric circuit)的热阻法计算,可以直接算出灯具内温度关注点与环境温度的温差。led台灯就是以LED即发光二极管为光源的台灯,LED是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。其使用的LED照明技术是第三代照明技术。LED台灯使用产生的蓝光会对眼睛造成伤害,但也有一系列优点。有利于判断导热结构是否可行。文中还用一个LED灯具散热计算实例说明了这种计算过程。
  Luxeon 大功率LED在散热性能方面大大地优于普通的小功率LED,电通道和热通道分离开,它的LED芯片都连接在一个金属(Metal)的嵌片上,散热性能得到很大的改善。
  但是,大功率LED用于特种灯具,或用于恶劣环境使用的灯具,这些灯具的外壳防护等级(class)一般都在IP65以上,如果外壳为非金属材料,尽管LED连接上了铝基板,但铝基板上的热量(Heat)如果不能被有效地传导至外壳表面,则聚集的热量会使铝基板的温度急剧上升,导致温度过高,增加了LED失效的可能性,造成LED光衰加剧,寿命缩短。
  理论上计算灯具散热(radiating)的情况,灯具的导热理论有许多困难,主要的困难是传导和对流同时对热传导起着作用,而对流是在密闭空腔内的对流,边界条件十分复杂;传导也是要通过(tōng guò)多层导热物质、多层界面,截面积(area)通常又是不等的,导致热流线分布的情况很难在计算之前就能通过分析(Analyse)得到。
  由于灯具是在开启后逐渐升温,最后达到热稳定状态,也就是说,热稳定状态时各点的温度最高,所以灯具的散热计算一般只考虑稳态的情况,瞬态的温度分布情况并不重要。对于稳态含热源在各向同性的单一介质中的导热服从Poisson方程[1]:
  式中为介质的导热系数,q''''''为热源的发热功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)。led台灯又称固态照明,作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术,具有节能、环保、安全可靠的特点,固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源,代表照明技术的未来。发展新固态照明,不仅是照明领域的革命,而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。
  由于灯具的结构是多种介质,所以在实际计算中,必须对每一种介质逐一求解上式,计算灯具内的温度场分布是十分困难,而且是没有必要的。实际上,大家所关心的是某些部位的温度是否在可以容忍的温度范围之内,只要计算出这些部位在达到热稳定时的温度即可。
  本文对效等电路的热阻算法进行了探讨,热阻算法的好处是无需知道确切的环境温度,也不必求解灯具内的温度场,直接计算灯具内关注(Concern)点的温升,困难(difficult)是热流线的分布必须通过分析而不是计算得到,而这一过程往往又是很复杂的。
  下面以一个实例的计算来说明等效电路的导热热阻算法。
  灯具要求的基本结构如下,LED 处于密闭的塑胶(相关联事物:塑料)外壳内,右侧的绝热层较厚(thickness),比较起其他部分导热,其导热基本可以忽略不计,热量主要通过(tōng guò)支撑(sustain)架、塑胶外壳、橡胶外套, 然后通过外部空气对流散到空气中。
  1.简化模型:
   铝基板视为一个等温热源;
   支撑板与与铝基板之间有一个附加导热层;
   由于塑胶的热导率比空气的热导率高得多,所以,空气的导热可以忽略不计;
   支撑板与塑胶外壳之间有一层附加导热层
   塑胶外壳与橡胶外皮(Skin)之间为紧密接触
   铝基板与外壳之间的对流导热可以忽略不计[2]
  所以总热阻:
  R=R1+R2+R3+R4+R5+R6
  其中
  R1 为支撑板与铝(Al)基板之间的附加导热层的热阻;
  R2 为支撑(sustain)板的热阻;
  R3 为散热板与塑胶外壳之间的附加导热层的热阻;
  R4 塑胶外壳的热阻;
  R5 为橡胶外皮的导热热阻;
  R6 为橡胶外皮处于空气(AIR)中对流换热的热阻[1]。
  2.计算
  下面分别计算各部分导热热阻:
  上述各式中。
  ki为各介质的导热系数;
  Ai为各介质的导热(Heat conduction)等效截面积;
  di为各介质的导热(Heat conduction)长度;
  上式中, 为平均换热系数;
  L 为定性长度,在大圆柱对流换热情况下,通常取圆柱直径;
  GrL和Pr分别为无量纲的格拉晓夫数和普朗特数,不同情况下的数值可以查表获得;
  C 为适配系数,在层流的情况下通常取0.53~0.54;
  A6为对流换热的有效面积;
  k6为空气的导热系数。led台灯就是以LED即发光二极管为光源的台灯,LED是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。其使用的LED照明技术是第三代照明技术。LED台灯使用产生的蓝光会对眼睛造成伤害,但也有一系列优点。
  于是总热阻为
  R=R1+R2+R3+R4+R5+R6=86.37
  LED约有1W的功率变成热量则铝基板的温升为:
  ΔT==qR=86.37 
  其中T2为铝基板温度,T1为环境温度。
  若环境温度为40℃,则铝基板的温度将要达到126℃,此时LED的结温达到166℃,根据的“Luxeon Reliability”一文中先容,Luxeon LED的失效与温度的关系为:
  这样高的温度Luxeon的失效几率比结温120℃时失效几率大92854倍,接近10万倍。这种温度下运行可靠性很差,所以这种导热结构不可行。从各个热阻分量看,主要的热阻是支撑板的传导热阻,改进必须是针对它的结构改进。
  若采用另一种热传导结构(Structure),取消塑胶的支撑(sustain)架,换成0.3mm厚的电解铜散热板,如下:
  其它部分不变,电解铜散热(radiating)板的热阻为:
  电解铜散热板的折边有6mm,这部分的等效热阻为:
  于是,总热阻变为:
  若环境温度为40℃,则铝基板的温度将要达到64.6℃,此时LED的结温达到104.6℃,从理论上说,这种热传导结构(Structure)是可行的。
  下表是两种结构温度试验与理论计算结果对照
  3.讨论
  从上面计算可以看出,采用等效于电路的热阻计算法,选取合适的简化模型,对于不同热传导结构中,温度(temperature)关注点的温升进行计算,可以在开模具之前判断热传导结构的优劣(liè),同时可以根据各部分热阻的计算结果判断主要的结构改进方向,这对于引导和改进结构设计具有实际的意义。
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