大型户外LED屏散热设计及仿真分析

LED显示屏散热系统设计LED显示屏的散热系统设计对于保证LED显示屏的正常运行非常重要。

散热系统的设计需要考虑显示屏所处的环境因素、LED发光产生的热量以及散热元件的选择和布局等方面。

以下是一个设计一个有效的LED显示屏散热系统的思路。

首先，需要考虑显示屏所处的环境因素。

如果显示屏在室外使用，需要考虑环境温度、湿度、日照以及降雨等因素对散热效果的影响。

根据不同的环境条件，可以选择不同的散热元件和技术来实现散热。

其次，需要考虑LED发光产生的热量。

LED显示屏中的LED发光产生的热量较大，如果不及时散热，会导致LED元件的寿命缩短以及亮度减弱等问题。

因此，在设计散热系统时需要考虑如何将LED产生的热量快速导出。

根据以上考虑，可以从以下几个方面进行散热系统的设计：1.散热元件的选择：常见的散热元件包括散热片、散热风扇、散热管等。

在选择散热元件时，需要考虑其散热效果、噪音、使用寿命以及散热方式等因素。

可以通过使用散热风扇和散热片的组合等方式实现有效的散热效果。

2.散热材料的选择：散热材料直接影响散热效果。

一般选择导热性好的材料如铝合金或铜材料来制作散热片和散热器，以提高散热效果。

3.散热结构设计：设计散热结构时需要考虑热量的传导路径和流动，以便将热量有效地导出。

可以通过散热板与显示屏之间增加散热导板，或者在显示屏周围增设散热通道等方式来实现热量的散发。

4.散热控制：可以通过增加散热风扇的控制模块，实现温度监测与控制。

当温度超过一定阈值时，散热风扇可以自动启动并加大转速，以提高散热效果。

5.散热测试与优化：在完成散热系统设计后，需要进行散热测试，并根据测试结果对系统进行优化。

可以通过红外热像仪等设备进行温度分布的检测，找出热点位置并进行修正。

总而言之，设计一个有效的LED显示屏散热系统需要考虑多个因素，包括环境因素、LED发光热量以及散热元件的选择和布局。

通过综合考虑这些因素的相互影响，可以设计出一个高效的散热系统，保证LED显示屏的正常运行。

——LED 封装用环氧树脂的导热LED 为什么要散热?理论上LED 总的电光转换效率约为54% (这是非常理想的情况下的估计结果, 而制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降，而基于目前LED 技术发展的水平，见诸报导的最高的电光转换效率还不到理论值的一半，而实际应用中更多的是不足其理论值的1/4 ！剩余的电能将以热能的形式释放，这就是LED 产生热的原因。

•LED 的热性能直接影响其：•1、发光效率－温度上升，光效降低。

•2、主波长－温度上升，蓝光向短波长漂移，其它颜色向长波长的漂移(红移。

•3、相关色温(CCT－温度上升，白光的相关色温升高，其它颜色的相关色温降低。

•4、正向电压－温度上升，正向电压降低。

•5、反向电流－温度上升，反向电流增大。

•6、热应力－温度上升，热应力增大。

•7、器件的使用寿命－温度上升，器件的使用寿命减短。

•8、如果LED 封装有荧光粉，环氧树脂等，温度的上升还将导致这些材料发生劣化。

假如以结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时就下降到80%；140度就只有70%。

可见改善散热，控制结温是十分重要的事。

而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如Cree 公司的XLamp7090XR-E 的发光量和结温的关系如图2所示。

一、LED为什么要散热图1. 光衰和结温的关系LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED 的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍一、LED为什么要散热•除此以外LED 的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大（恒压供电时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED 的散热是LED 灯具的设计中最为重要的一个问题。

一、LED 为什么要散热二、散热途径热传导和对流需要借助介质进行，而热辐射则不需要(如真空中热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射。

LED灯具散热建模仿真关键问题研究（二）
4 散热材料导热系数和辐射率
4.1 散热材料导热系数
材料的导热系数高低反映的是材料热传导能力的强弱，热传导是影响散热的
最根本因素，它决定了LED 灯具产生的热量能否有效、快速传递到灯具散热
表面。

不同材料的导热系数因其物理属性、生产工艺等有所不同。

仿真分析
14W LED PAR30 射灯，采用不同导热系数的散热材料，对LED 灯具的工作温度产生的影响，仿真结果如图9 所示，说明材料的导热系数越高，最终的
LED 灯具工作温度越低，散热效果越好。

4.2 散热材料辐射率
不同材料的热辐射系数γ是不相同的，即使是同种材料不同表面处理工艺，其热辐射系数也不尽相同[14],因此在CFD 散热仿真时，必须明确材料及其表面处理情况。

仿真分析了7W LEDPAR16 射灯的散热器表面辐射系数分别为0.95、0.9、0.85、0.8、0.7、0.6、0.5 的温度场情况，图10 和图11 给出了LED 工作温度、散热器平均温度随散热材料辐射系数的变化趋势。

观察仿真
结果可以发现，当材料辐射率在0.80 以上变化时，LED 工作温度、散热器平均温度并未出现较大的变化，说明对于铝制散热器，材料辐射率达到0.80 即可;而当材料辐射率在0.80 以下时，LED 最大温度、散热器平均温度随材料辐射率呈线性变化关系，辐射率越低，温度越高。

因此，在产品散热材料选择时，可以表面辐射率0.80 为参考。

热流仿真分析在高功率LED散热设计中的应用随着LED技术的不断发展，高功率LED的应用越来越广泛，而其中散热问题也越来越受到关注。

好的散热设计不仅可以保证LED的长期稳定工作，还能延长其寿命。

在散热设计中，热流仿真分析被广泛应用，因其可以帮助工程师更好地了解LED散热过程中的各种热学参数，从而实现更优秀的散热设计。

热流仿真分析是指使用计算机模拟技术，将LED散热设计中的热流场分析、热传导和对流散热等问题进行数值模拟，从而对散热性能进行评估和优化。

其本质是通过对LED芯片内部和周围材料在热传导方面的特性进行模拟和分析，预测LED散热性能、继而进行优化设计的过程。

一般的散热设计工程师在设计LED的散热方案时，首先要对LED的使用环境进行分析，包括空气温度、空气流速、LED灯具的结构、使用寿命等等。

然后，需要了解LED芯片的热性能参数，比如导热系数、材料的热容量、散热器的热传导性能等。

最后，采用热流仿真软件，将这些信息输入计算机，进行热流仿真分析，得出LED散热设计的初步方案，继而进行评估和改进，以达到最优化的散热效果。

在LED散热设计中，热流仿真分析的应用有以下几个优点：1、不同散热设计的比较通过热流仿真分析，工程师可以针对不同的散热方案，进行模拟分析，然后通过比较各种参数的结果，找出最优的散热设计方案。

这种分析方法可以帮助工程师节省时间和成本，避免在实际应用中出现故障和不必要的损失。

2、预测LED使用寿命热流仿真分析可以模拟LED的热流场，并通过计算各种参数的值，预测LED使用寿命。

因为LED灯在高温环境下，其使用寿命会缩短，而热流仿真可以帮助工程师减少LED温度升高的影响，延长使用寿命。

3、降低散热设计成本在LED散热设计阶段，通常需要尽可能地降低成本，热流仿真分析可以通过数值模拟，实现对LED散热器的优化，降低制造成本。

同时，实现更优秀的LED散热设计，可使LED产品的工作性能更高，降低生产成本。

大功率LED的散热设计方案近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。

与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。

例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。

2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。

又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。

从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。

Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。

这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。

前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。

如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。

这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。

为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED 来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。

例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED则要几百个。

另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十M。

若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。

图1 结温TJ与相对出光率关系图用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。

如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

在节能和环保两大需求的强力推动下LED的应用己从早年的指示、显示和装饰逐步走向照明领域。

大型户外LED屏散热设计及仿真分析舒力帆【摘要】本文利用传统设计方法对某大型户外LED屏散热方案进行分析,初步确定边界条件及设计方案.在此基础上基于计算流体动力学(CFD)方法,采用带浮力修正的k-ε模型对某大型户外LED屏散热方案进行精确分析.研究了不同通风散热方案的影响,确定了最优设计方案.【期刊名称】《制冷》【年(卷),期】2019(038)001【总页数】5页(P42-46)【关键词】LED屏;散热;CFD;通风【作者】舒力帆【作者单位】广州柴炬建筑设计咨询有限公司, 广州510627【正文语种】中文【中图分类】TB657.50 引言散热性能是影响LED屏设计寿命，评价LED屏设计指标是否合理的重要指标。

LED屏幕现场安装后由于散热不畅，屏幕会出现电源保护、掉信号模块不显示、芯片脱落、LED等脱焊等问题。

因此在项目方案设计阶段就应考虑屏幕散热问题，保障LED屏稳定节能运行［1］。

本文针对广州地区大型户外LED屏散热方案研究，探讨类似项目通风设计流程、方法及共性特点。

1 项目概况该项目位于广州某商业广场，是一个改造项目，LED屏长35m，高15m，西南朝向，如图1所示。

其散热主要由LED自身散热及太阳辐射散热两部分构成，由于屏幕本身的性能要求，设计方提出LED屏控制温度为40～50℃，温差不超10℃，温度均匀性尽可能好。

LED屏面积大，自身散热量巨大，且为西南朝向，最不利条件下自然通风难以满足散热需求，解决的主要方案有空调制冷和机械通风。

图1 某广场LED屏2 方案可行性分析2.1 空调制冷采用空调制冷初投资及运行维护费用较高，本项目仅在采用机械通风无法满足需求时考虑。

2.2 机械通风机械通风具有能耗低，适应性强，维护量小等优点。

但有如下难题待解决：（1）机械通风时，内腔的温度是否均匀。

（2）机械通风量的确定。

这些难题需通过CFD模拟进行解决。

3 内热源分析LED屏内腔热源主要来自LED本身及环境太阳辐射。

如何做好LED显示屏的散热结构？—做大屏找晟科系列技巧之六LED显示屏是电子产品，在使用过程中发热是一个正常现象。

小面积的LED显示屏，比如指示牌、门头屏、小的宣传橱窗屏等，面积有限功率有限，发热也有限，一般我们不需要考虑散热问题。

但是大面积的户内LED显示屏和户外大屏，由于发热量累加巨大，我们往往要考虑散热问题。

那么有哪些情况是我们要考虑的呢？笔者将从以下几个方面做一下梳理。

一、功率和面积功率是一个首要考虑因素，一般行业标准做法是，户内LED显示屏播放功率在5KW以下不需要考虑散热问题，对应换算到面积一般在10平方米以内。

户外LED显示屏则严格的多，首先户外LED显示屏功率和发热量比相同面积的户内LED显示屏要大很多，一般也是5KW以下可以不考虑散热问题，对应换算到面积是一般5平方米以内户外LED显示屏可不考虑散热问题。

二、阳光直射情况户内LED显示屏一般不涉及到阳光直射情况。

户外LED大屏多用来播放广告、政府宣传片、公益广告等等，长时间在阳光直射下温度会上升到非常高，尤其是夏天户外LED大屏，表面温度很轻松升温到100℃以上，而屏体内部结构如果不做散热处理，空气不流通，则温度会上升得更高。

故而只要是有阳光直射的情况，我们一般都会做散热结构。

三、屏体内（后）部空间大小一般情况下，LED显示屏正面（前面）是播放面，有空旷的散热空间，而内部（后面）的情况则千差万别。

如果LED显示屏内部（后面）是常规的狭小的有限的空间，我们根据前两个因素来决定做不做散热结构。

但也有一些后部空间大、通风条件好的我们不需要做散热结构。

那么综合以上三个因素，评估结果需要增加散热装置时，我们应该怎么做呢？以下三点使我们经常使用的办法。

一、增加风扇风扇最常用于户外LED大屏的防水箱体，箱体一般厚度在10公分左右，即屏内部（后面）空间非常狭小，我们一般采用风扇构建循环通风系统，常见做法是在防水箱体后门上半部分添加两个风扇，一个风扇往里吹风，一个风扇往外吹风，而箱体内部热气主要在上半部分，这样子就形成了一个外面的凉风往里进，里面的热风往外吹的一个循环通风系统。

关于大功率LED散热技术分析摘要：LED在现实生活中应用十分广泛，为了提高LED的使用效率，需要对LED的散热效果进行有效的设计，大功率LED阵列的工作寿命与LED的散热性能有着直接的关系，一般情况下，LED在工作过程中，只有20%的电能转换为光能，而其他只是转化为热能，可见LED在具体的工作过程中，会产生大量的热能，这就需要在LED系统设计中，加强对LED的散热性能进行设计，有效的控制LED的散热方式，通过采用各种散热技术方法来提升LED的散热效果。

在具体的设计中，需要根据LED的使用方法以及LED阵列功率的大小，采用不同的散热技术与散热效果较好的材料，在对PN结的结温进行控制的同时，还要能够有效的降低散热器的热阻，提高散热器的散热效果。

关键词：大功率；LED；散热技术；分析1大功率LED的工作原理分析1.1LED结构PN结是发光二极管(LED)的核心，主要是半导体材料构成的，主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体作为PN结的主要材料，在一般情况下，LED的主要PN结是一个以5mm常规半径构成，在PN结的边缘利用0.23mm的正方形管芯将PN结粘接或者烧结在带引线的二极管支架上，将引线作为二极管的阴极，球形触点的金丝键作为二极管的内引线，然后在它们连接到另一支架上，将多个二极管连接在一起就形成了大规模的LED矩阵。

LED发光二极管的工作原理是将电能转化光能力的过程，当在二级管的PN结两端加上正向偏压时，二极管的PN电势发生变化，这时P区的正离子电荷开始向N结流动，而N结的负离子电荷也向P结流动，在P结与N结之间开始形成电势差。

在一个电光转换过程，当在PN结两端加载一个正向偏压时，就会在P结与N结之间的区域形成非电荷平衡，这样在P结与N结形成的系统中，形成的载流子是不稳定的，在PN结中的非平衡空穴要与导带的电子复合，形成电流，而产生的多余载流子的能力会以光的形式辐射出来。

LED集成模组电热特性分析与散热仿真设计的开题报告尊敬的评委、老师们：我是XXX，本次论文的题目是“LED集成模组电热特性分析与散热仿真设计”。

一、选题背景和意义近年来，LED光源在照明、显示等领域发展迅速，其高效、节能、环保等特点受到广泛关注。

但是，由于 LED 光源的工作原理、芯片和封装结构等因素，会产生较高的热量，如果不能以有效的方式散热，就会影响LED的使用寿命、性能和稳定性，甚至导致LED的失效。

因此，研究LED的散热问题显得非常重要。

二、研究内容本次研究将以LED集成模组为研究对象，主要涉及以下内容：1.通过理论分析和数值计算，研究LED集成模组的电热特性，包括功耗、热损失、温度分布等参数。

2.设计并实验验证不同散热方式的效果，包括自然对流散热、强制对流散热和传热管使用的强化散热等。

3.基于三维热传导方程，建立数值模型，通过仿真计算LED集成模组在不同工况下的热场分布和温度升高情况。

4.基于分析结果，提出最佳的散热设计方案，优化LED集成模组的散热性能。

三、研究方法和技术路线1. 理论分析和数值计算方法通过热学原理，建立LED集成模组的电热模型，并分析模组的功耗、热损失、表面温度等。

采用计算流体力学(CFD)软件进行传热计算。

2. 散热实验和数据采集方法设计不同散热方式的实验装置，采用热电偶、红外热像仪等设备对LED集成模组散热效果进行测试和数据采集。

3. 热场仿真和优化设计方法建立LED集成模组三维热传导模型，通过计算机仿真分析LED集成模组在不同工况下的温度分布情况，优化散热设计方案。

四、预期成果1. 提出适用于LED集成模组的散热设计方案，较好地解决LED散热问题，提高其使用寿命和稳定性。

2. 研究LED集成模组的热学特性，为LED应用的研究提供重要参考和理论基础。

3. 实验结果和数值模拟结果的比对，验证数值计算方法在LED散热分析中的有效性和可靠性。

以上为本人的研究方向和预期成果，希望能得到各位评委、老师的支持和指导，谢谢！。