散熱計算模型

1、 散熱計算模型對燈具的熱傳導(dǎo)計算方法進行了討論，提出對于燈具的散熱計算方法使用等效電路的熱阻法計算，可以直接算出燈具內(nèi)溫度關(guān)注點與環(huán)境溫度的溫差。有利于判斷導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)是否可行。文中還用一個散熱計算實例說明了這種計算過程。luxeon 在散熱性能方面大大地優(yōu)于普通的小功率，電通道和熱通道分離開，它的都連接在一個金屬的嵌片上，散熱性能得到很大的改善。但是，大功率led用于特種燈具，或用于惡劣環(huán)境使用的燈具，這些燈具的外殼防護等級一般都在ip65以上，如果外殼為非金屬（如塑膠）材料，盡管led連接上了鋁基板（mcpcb），但鋁基板上的熱量如果不能被有效地傳導(dǎo)至外殼表面，則聚集的熱量會使鋁基板的溫度急劇

2、上升，導(dǎo)致溫度過高，增加了led失效的可能性，造成led光衰加劇，壽命縮短。理論上計算燈具散熱的情況，燈具的導(dǎo)熱理論有許多困難，主要的困難是傳導(dǎo)和對流同時對熱傳導(dǎo)起著作用，而對流是在密閉空腔內(nèi)的對流，邊界條件十分復(fù)雜；傳導(dǎo)也是要通過多層導(dǎo)熱物質(zhì)、多層界面，截面積通常又是不等的，導(dǎo)致熱流線分布的情況很難在計算之前就能通過分析得到。由于燈具是在開啟后逐漸升溫，最后達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說，熱穩(wěn)定狀態(tài)時各點的溫度最高，所以燈具的散熱計算一般只考慮穩(wěn)態(tài)的情況，瞬態(tài)的溫度分布情況并不重要。對于穩(wěn)態(tài)含熱源在各向同性的單一介質(zhì)中的導(dǎo)熱服從poisson方程1：式中為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，q為熱源的發(fā)熱功率。由于燈

3、具的結(jié)構(gòu)是多種介質(zhì)，所以在實際計算中，必須對每一種介質(zhì)逐一求解上式，計算燈具內(nèi)的溫度場分布是十分困難，而且是沒有必要的。實際上，我們所關(guān)心的是某些部位的溫度是否在可以容忍的溫度范圍之內(nèi)，只要計算出這些部位在達到熱穩(wěn)定時的溫度即可。本文對效等電路的熱阻算法進行了探討，熱阻算法的好處是無需知道確切的環(huán)境溫度，也不必求解燈具內(nèi)的溫度場，直接計算燈具內(nèi)關(guān)注點的溫升，困難是熱流線的分布必須通過分析而不是計算得到，而這一過程往往又是很復(fù)雜的。下面以一個實例的計算來說明等效電路的熱阻算法。燈具要求的基本結(jié)構(gòu)如下圖，led 處于密閉的塑膠外殼內(nèi)，右側(cè)的絕熱層較厚，比較起其他部分導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱基本可以忽略不計，熱

4、量主要通過支撐架、塑膠外殼、橡膠外套， 然后通過外部空氣對流散到空氣中。1簡化模型：（1） 鋁基板視為一個等溫?zé)嵩?；?） 支撐板與與鋁基板之間有一個附加導(dǎo)熱層；（3） 由于塑膠的熱導(dǎo)率比空氣的熱導(dǎo)率高得多，所以，空氣的導(dǎo)熱可以忽略不計；（4） 支撐板與塑膠外殼之間有一層附加導(dǎo)熱層（5） 塑膠外殼與橡膠外皮之間為緊密接觸（6） 鋁基板與外殼之間的對流導(dǎo)熱可以忽略不計2所以總熱阻：r=r1+r2+r3+r4+r5+r6其中r1 為支撐板與鋁基板之間的附加導(dǎo)熱層的熱阻；r2 為支撐板的熱阻；r3 為散熱板與塑膠外殼之間的附加導(dǎo)熱層的熱阻；r4 塑膠外殼的熱阻；r5 為橡膠外皮的熱阻；r6 為橡膠外

5、皮處于空氣中對流換熱的熱阻1。2計算下面分別計算各部分熱阻：上述各式中，ki（i=1，2，3，4，5）為各介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；ai（i=1，2，3，4，5）為各介質(zhì)的導(dǎo)熱等效截面積；di（i=1，2，3，4，5）為各介質(zhì)的導(dǎo)熱長度；上式中， 為平均換熱系數(shù)；l 為定性長度，在大圓柱對流換熱情況下，通常取圓柱直徑；grl和pr分別為無量綱的格拉曉夫數(shù)和普朗特數(shù)，不同情況下的數(shù)值可以查表獲得；c 為適配系數(shù)，在層流的情況下通常取0.530.54；a6為對流換熱的有效面積；k6為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。于是總熱阻為r=r1+r2+r3+r4+r5+r6=86.37(w/k)led約有1w的功率變成熱量則鋁基板的

6、溫升為：t=(t2-t1)=qr=86.37 (k)其中t2為鋁基板溫度，t1為環(huán)境溫度。若環(huán)境溫度為40，則鋁基板的溫度將要達到126，此時led的結(jié)溫達到166，根據(jù)公司的“l(fā)uxeon reliability”一文中介紹，luxeon led的失效與溫度的關(guān)系為：這樣高的溫度luxeon的失效幾率比結(jié)溫120時失效幾率大92854倍，接近10萬倍。這種溫度下運行可靠性很差，所以這種導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)不可行。從各個熱阻分量看，主要的熱阻是支撐板的傳導(dǎo)熱阻，改進必須是針對它的結(jié)構(gòu)改進。若采用另一種熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，取消塑膠的支撐架，換成0.3mm厚的電解銅散熱板，如下圖：其它部分不變，電解銅散熱板的熱阻為：電解銅散熱板的折邊有6mm，這部分的等效熱阻為：于是，總熱阻變?yōu)椋喝舡h(huán)境溫度為40，則鋁基板的溫度將要達到64.6，此時led的結(jié)溫達到104.6，從理論上說，這種熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)是可行的。下表是兩種結(jié)構(gòu)溫度試驗與理論計算結(jié)果對照3討論從上面計算可以看出，采用等效于電路的熱阻計算法