热量传递原理及在灯具中的应用
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摘 要：热最重要的过程或者形式就是热的传递，热传递主要用三种方式来实现：热传导、热对流、热辐射。本文主要探讨三种热的传递方式在灯具中的应用。
关键词：热传递，灯具，应用
引言
热量传递是由温差引起的，凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。虽然我们常将热称之为热能，但热从严格意义上来说并不能算是一种能量，而只是一种传递能量的方式。从微观来看，区域内分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子，因此在物理界普遍认为能量的传递就是热。
热传导是物质本身或当物质与物质接触时，能量发生传递，这是最普遍的一种热传递方式。它由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散[1]。在同一固体介质中热量的传递主要基于两种模式：一种是晶格的振动，这主要是存在晶体。另一种是自由电子的移动，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量，因此良好的电导体一般情况下导热性也比较好。
热传导的基本公式为
Q=K×A×ΔT/ΔL （1）
式中：
Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；
K为材料的热传导系数；
A代表传热的面积（或是两物体的接触面积）；
ΔT代表热传导两端的温度差；
ΔL则是热传导两端的距离。
热传导系数也称导热系数，其单位为W/（m・K），比热的单位为卡/（千克×°C）。热传导系数类似比热，但是又与比热有一些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热的数值也就越低。举例说明，纯铜的热传导系数为396.4 W/（m・K），而其比热则为0.39卡/（千克×°C）。导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，不同材料的导热系数不同，一般来地说，金属材料的导热系数最高，良的导电体（如银、铜）也是良导热体；液体次之；气体最小。
不同的热传导系数直接影响散热中的热量传导效果，灯具散热器不同的热传导系数会导致温度差异[2]。在芯片功率一致、传热面积相同的情况下，热传导系数为396 W/（m・K）时芯片的温度为66.8℃，低于热传导系数为216 W/（m・K）时的44.3℃，即热源中心的温度在热传导系数低的情况下高一些；散热器的温度差距不到2℃，但是因为热源温度差距的存在，热源与散热器的温度差分别为21.2℃和31.0℃。也就是说，高热传导系数有利于热量的导出与传递。
2. 热对流原理及在灯具中的应用
对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。工程上的对流指的是流体（气体或液体）与固体表面接触，造成流体从固体表面将热量带走的热传递方式，即对流换热。具体应用到实际来看，热对流又有两种不同的情况。
2.1自然对流：指的是流体运动，成因是温度差。温度高的流体密度较低，因此质量轻，相对就会向上运动。相反地，温度低的流体，密度高，因此向下运动。这种热传递是因为受热之后，流体分子运动导致各部分密度不同而引起的，或者说存在温度差之后，产生了热传递的动力。暖气片表面附近受热空气的向上流动就是一个例子。
2.2强制对流：指是流体受外在的强制驱动而改变运动方向，例如水泵、风机或其他压差作用下的流体运动。流体的运动方向由驱动力方向来决定，因此这种热对流更有效率和指向性。但是因为强制对流需要耗费更多的能量和空间，因此在自然对流可以满足散热的情况下一般不考虑采用强制对流。
热对流的公式为
Q=H×A×ΔT （2）
式中：
Q依旧代表热量， 也就是热对流所带走的热量；
H为热对流系数值，也称为表面换热系数；
A则代表热对流的有效接触面积；
ΔT代表固体表面与区域流体之间的温度差。
热对流系数的单位是W/（m2・K），其大小与换热过程的许多因素有关，不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切的关系。一般来说，水的对流换热比空气强烈；就换热方式而言，有相变的优于无相变的，强制对流高于自然对流。
LED灯具在自然对流与强制对流两种不同的散热情况下，有很大差别[3]。在热源功率8W、散热面积0.144 m2的相同条件下，自然对流与风扇强制对流两种情况下，散热器的不同换热系数和稳定温度。有风扇的情况下换热系数增加4%左右，散热器与环境的温度差值下降0.5℃。
在热对流传递中，热量传递的数量取决于介质的热对流系数、有效接触面积和温度差，呈现正相关关系，即热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走的热量也就越多。对于大功率LED灯具，对流存在于散热器与外界空气之间，温度差即为散热器温度与环境温度之差，热对流系数也相对固定，在这种情况下可以适当增加单位体积内的传热面积来提高热对流效率。
i. 热辐射原理及在灯具中的应用
物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以辐射波的形式达到热交换的目的。
热辐射具有如下特点：
1、热辐射是通过波来进行传递的，那么势必就会有波长、有频率；
2、不通过介质传递。由物体的热吸收率就可以决定传递的效率了。这里就存在一个热辐射系数，其值介于0-1之间，是属于物体的表面特性。
一般的热辐射的热传导公式为：
（3）
式中：
Q'代表热辐射所交换的能力；
A是物体的表面积；
σ是物体表面的热辐射系数；
（Ta-Tb）则是表面a的温度同表面b之间的温度差。
热辐射系数σ的理论计算值为5.67×10-8（W/m2K4），实际工程测算值为5.73×10-8（W/m2K4），因此实际计算中我们一般取5. 7×10-8（W/m2K4） 。在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后（比如着色）其表面热辐射系数值就会提升。塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。热辐射功率与热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差的四次方之间都存在正比关系。
热辐射在传统光源尤其是热辐射光源的热量损失中占有很大的比重，但是LED的发光原理与传统光源有很大的区别，热辐射在其中所占的比重也很小，以一颗1W的功率型白光LED为例，取其稳定工作状态下的结温为350K，芯片面积为lmm2，在不考虑芯片吸热的情况下，我们可以计算其热辐射功率：
而功率型LED产生热的功率大概为0.5W左右，我们可以发现热辐射功率大概为整个热耗散的功率的千分之一左右。
总结
在大功率LED灯具中，热量传递取决于灯具结构，主要与灯具的芯片、散热器等各部分相关[4]。为提高大功率LED灯具中热传导的效率，除了需要选取导热系数较高的材料，还可以通过增加热传导的接触面积，减小热量传输距离来改善散热系统。因此对于LED灯具的散热方式的选择上，只需考虑热传导和热对流两方面。
参考文献
【1】 杨世铭，陶文铨. 传热学（第三版） [M].北京：高等教育出版社，1998.2-10.
【2】 高红星. 大功率LED灯散热性能研究[D]. 西安电子科技大学： ，2010.
【3】 余彬海. 结温与热阻制约大功率LED发展[J].发光学报，2005， 26（6）： 761-766.
【4】 Narendran N， Gu Y. Life of LED-based white light sources [J]. J. Display Technol.， 2005， 1（1）：167-171.
作者简介：
王爽，硕士，研究方向：机械制造。