LED燈具的熱傳導計算模型
劉必成 深圳市海洋王投資發展有限公司
摘要:本文對燈具的熱傳導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溫度關注點與環境溫度的溫差。有利于判斷導熱結構是否可行。文中還用一個LED燈具散熱計算實例說明了這種計算過程。
關鍵詞：燈具,熱傳導,熱阻,LED
Abstract:This paper includes the discussion about the calculation methods of the lighting’s heat transfer. Also the usage of the calculation method of heat resistances in equivalent electrical circuits, by which the difference between the temperature of the attention point inside the lighting and environment temperature can be directly obtained. Such a method is advanced on estimating the feasibility of a heat transfer’s structure. The calculation process has been demonstrated by an example of cooling of an LED lighting in this paper.
Key word: lighting, heat transfer, heat resistance, LED
Luxeon 大功率LED在散熱性能方面大大地優于普通的小功率LED，電通道和熱通道分離開，它的LED芯片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至外殼表面，則聚集的熱量會使鋁基板的溫度急劇上升，導致溫度過高，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，燈具的導熱理論有許多困難，主要的困難是傳導和對流同時對熱傳導起著作用，而對流是在密閉空腔內的對流，邊界條件十分復雜；傳導也是要通過多層導熱物質、多層界面，截面積通常又是不等的，導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，最后達到熱穩定狀態，也就是說，熱穩定狀態時各點的溫度最高，所以燈具的散熱計算一般只考慮穩態的情況，瞬態的溫度分布情況并不重要。對于穩態含熱源在各向同性的單一介質中的導熱服從Poisson方程[1]：
式中k為介質的導熱系數，q為熱源的發熱功率。
由于燈具的結構是多種介質，所以在實際計算中，必須對每一種介質逐一求解上式，計算燈具內的溫度場分布是十分困難，而且是沒有必要的。實際上，我們所關心的是某些部位的溫度是否在可以容忍的溫度范圍之內，只要計算出這些部位在達到熱穩定時的溫度即可。
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境溫度，也不必求解燈具內的溫度場，直接計算燈具內關注點的溫升，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。
燈具要求的基本結構如下圖，LED處于密閉的塑膠外殼內，右側的絕熱層較厚，比較起其他部分導熱，其導熱基本可以忽略不計，熱量主要通過支撐架、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熱源；
（2） 支撐板與與鋁基板之間有一個附加導熱層；
（3） 由于塑膠的熱導率比空氣的熱導率高得多，所以，空氣的導熱可以忽略不計；
（4） 支撐板與塑膠外殼之間有一層附加導熱層
（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熱可以忽略不計
其中
1R 為支撐板與鋁基板之間的附加導熱層的熱阻；
2R 為支撐板的熱阻；
3R 為散熱板與塑膠外殼之間的附加導熱層的熱阻；
4R 塑膠外殼的熱阻；
5R 為橡膠外皮的熱阻；
6R 為橡膠外皮處于空氣中對流換熱的熱阻。
2．計算
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，選取合適的簡化模型，對于不同熱傳導結構中，溫度關注點的溫升進行計算，可以在開模具之前判斷熱傳導結構的優劣，同時可以根據各部分熱阻的計算結果判斷主要的結構改進方向，這對于指導和改進結構設計具有實際的意義。
參考文獻
[1] Donald Pitts, Leighton Sissom: Schaum’s Outline of Theory and Problems of Heat Transfer, Secnd Edition Copyright c 1998 by the McGraw-Hill Companies, Inc （中譯本，葛新石等翻譯），
[2] A. F. Emery: Trans. ASME, J. Heat Transfer, 91: 361(1969)
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