李廣平（廣東昭信照明科技有限公司，廣東佛山　528251）

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淺析LED路燈的散熱設(shè)計(jì)方法

李廣平
（廣東昭信照明科技有限公司，廣東佛山528251）

【摘 要】近年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到飛速發(fā)展，配套的道路照明能源消耗也將不斷增長(zhǎng)。當(dāng)前環(huán)境和能源問(wèn)題越來(lái)越受到重視，尋找各種節(jié)能環(huán)保的方法對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。本文通過(guò)對(duì)LED路燈模組散熱設(shè)計(jì)的原理及方法進(jìn)行闡述、同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法和理論的正確性。

【關(guān)鍵詞】LED路燈散熱設(shè)計(jì)方法

1　傳熱學(xué)基本理論

傳熱學(xué)是研究不同溫度的物體或同一物體的不同部分之間熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。傳熱是最普遍的一個(gè)自然現(xiàn)象，幾乎所有行業(yè)領(lǐng)域都會(huì)存在傳熱問(wèn)題，LED路燈的散熱問(wèn)題則是近年來(lái)該領(lǐng)域中對(duì)傳熱學(xué)應(yīng)用比較典型和突出的一個(gè)領(lǐng)域。而傳熱的基本方式離不開(kāi)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。

2　LED路燈熱的傳遞

在LED燈具中的散熱設(shè)計(jì)中，LED芯片的工作溫度一般90-105℃左右，在這過(guò)程由于熱輻射涉及的熱量與其他兩種方式比較起來(lái)很小，為了方便計(jì)算一般忽略輻射的熱量影響，主要考慮LED芯片通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳導(dǎo)至外部散熱器以及散熱器與環(huán)境之間進(jìn)行的對(duì)流換熱的熱量交換。熱傳導(dǎo)中有一個(gè)非常重要的定律：傅里葉定律其表達(dá)式為：

其中F表示熱流量，即單位時(shí)間傳遞的熱量，單位為W；q表示熱流密度，即單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量；A表示垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，單位為m2；l是導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m-K，其數(shù)值大小反映材料的導(dǎo)熱能力，熱導(dǎo)率越大，材料的導(dǎo)熱能力就越強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)與材料及溫度等因素有關(guān)，金屬是良導(dǎo)體，熱導(dǎo)率最大，液體次之，氣體最小。負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，如圖1所示。

牛頓冷卻公式是對(duì)流換熱中常用的計(jì)算公式，對(duì)流換熱模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其表達(dá)式為：

其中F表示熱流量，即單位時(shí)間傳遞的熱量，單位為W；q表示熱流密度，即單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量；A表示與流體接觸的壁面面積，單位為m2； tw為固體表面溫度， tf為流體溫度；h是對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W/m2-K，h是表征對(duì)流換熱過(guò)程強(qiáng)弱的物理量，影響h因素有流體的物性（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、密度、比熱容等）、流動(dòng)的形態(tài)（層流、紊流）、流動(dòng)的成因（自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時(shí)有無(wú)相變（沸騰或凝結(jié)）等。

圖1　溫升與熱量傳遞方向的關(guān)系

圖2　對(duì)流換熱模型的建立

3　LED路燈中的熱阻

熱量傳遞是自然界中的一種轉(zhuǎn)移過(guò)程。各種轉(zhuǎn)移過(guò)程都存在過(guò)程動(dòng)力和過(guò)程阻力，其轉(zhuǎn)移量與兩者之間有密切的關(guān)系，即

以上的關(guān)系很像電學(xué)中的歐姆定律：

在熱量傳遞的過(guò)程中，也存在相類似的規(guī)律，溫差是熱量傳遞的動(dòng)力，熱流量類似于電流量，因此，出現(xiàn)了“熱阻”這個(gè)詞，熱阻是反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量，熱阻單位為K/W。

當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的形式傳遞時(shí)，這個(gè)時(shí)候的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱過(guò)程的熱阻為

當(dāng)熱量以對(duì)流換熱的方式發(fā)生熱交換時(shí)，這個(gè)時(shí)候的熱阻為對(duì)流換熱熱阻。對(duì)于（2）式對(duì)流換熱過(guò)程的熱阻為

熱阻和電阻一樣，也以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接，同樣也滿足串并聯(lián)的熱阻計(jì)算方法。當(dāng)計(jì)算出系統(tǒng)的熱阻后，利用公式即可計(jì)算出系統(tǒng)與環(huán)境的溫差，在已知環(huán)境溫度的前提下便可估算出芯片的結(jié)溫。

4　改善對(duì)流換熱熱阻

根據(jù)LED路燈熱源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作主要是在一定的散熱量要求下，將熱沉與環(huán)境的溫差限制在一定范圍內(nèi)，獲得對(duì)流換熱系數(shù)和散熱面積的最優(yōu)組合。設(shè)計(jì)時(shí)需注意兩個(gè)方面：熱沉尺寸是個(gè)關(guān)鍵因素，其對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)和散熱面積均產(chǎn)生影響；何種經(jīng)驗(yàn)公式是適用于路燈散熱。對(duì)于前一個(gè)問(wèn)題，是在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需考慮的條件，也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)，進(jìn)行了基于最小熱阻理論的熱沉翅片尺寸的優(yōu)化方法。

5　50WLED路燈模組熱沉設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

以下的熱學(xué)設(shè)計(jì)是基于50W大功率LED路燈模組設(shè)計(jì)而成的。根據(jù)道路照明要求，首先設(shè)計(jì)出光學(xué)部分出光量及光斑等要求，根據(jù)與機(jī)械部分配合尺寸方面的要求，確定熱學(xué)設(shè)計(jì)的基本限制條件為：LED350mA恒流驅(qū)動(dòng)，LED陣列為6X8=48顆LED，單顆功率為1.0W，總功率48W，散熱片基板尺寸初步確定為長(zhǎng)度方向?yàn)?70mm，寬度方向尺寸為70mm，熱沉與環(huán)境之間的溫差小于等于30℃。

作者簡(jiǎn)介：李廣平（1973—），男，江西萍鄉(xiāng)人，大專，中級(jí)，研究方向：LED燈具設(shè)計(jì)。