LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問題研究

　　0 引言

　　LED屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件，受目前LED芯片的生產(chǎn)制造水平限制，LED高功率產(chǎn)品輸入功率僅有約20%~30%轉(zhuǎn)換為光能，剩下的70%左右均轉(zhuǎn)換為熱能。結(jié)溫升高會(huì)影響LED的壽命、光效、光色(峰值波長(zhǎng))、色溫、配光、可靠性、發(fā)光強(qiáng)度、正向電壓等，而這些均是影響照明質(zhì)量的重要因素。

　　為了控制LED燈具的溫升，保證燈具的壽命和可靠性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)照明用LED燈具散熱設(shè)計(jì)的相關(guān)研究已有不少，尤其是利用有限元流體力學(xué)CFD仿真軟件進(jìn)行散熱模擬仿真分析，可以全面分析LED燈具的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射，分析求解LED燈具內(nèi)外的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等，非常適用于目前LED照明燈具散熱模擬仿真。

　　本文將從邊界條件(環(huán)境溫度、重力方向等)、熱阻計(jì)算、熱載荷分布和形式、散熱材料導(dǎo)熱系數(shù)和輻射率等幾個(gè)方面，分析LED照明燈具散熱仿真建模中的關(guān)鍵問題，并通過實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量驗(yàn)證模型仿真結(jié)果的精度。

　　1 邊界條件

　　1.1 環(huán)境溫度

　　仿真分析了5WHLA60LED球泡燈在環(huán)境溫度分別為20、25、30、35、40、45和50℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況，圖1~3給出的是LED工作溫度(圖中，max表示LED最高工作溫度，avg表示LED平均工作溫度，下同)、散熱器平均溫度、電源溫度隨著環(huán)境溫度的變化而呈現(xiàn)出的溫度變化趨勢(shì)圖，從仿真結(jié)果圖中可以看出，LED最大溫度和平均溫度、散熱器平均溫度與環(huán)境溫度呈線性變化關(guān)系，即環(huán)境溫度越高，LED最大溫度、散熱器平均溫度也越高。但它們之間關(guān)系不是純粹的線性疊加，比例系數(shù)約為0.8.

1.2 重力方向

　　熱量具有與重力反方向的傳遞趨勢(shì)，圖4所示為5WHLA60LED球泡燈采用三種不同安裝方式的溫度仿真分析效果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)燈具溫度場(chǎng)因重力方向不同而發(fā)生了明顯的變化。因此在仿真過程中，要明確LED燈具的安裝位置和方式。

　　2 熱阻

　　熱阻(Rth)是指熱量在熱通道上遇到的阻力，可通過材料導(dǎo)熱系數(shù)(K)來計(jì)算：

　　式中，犔表示熱通道路徑的長(zhǎng)度，犃表示熱通道有效橫截面積。

　　熱阻分為導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻。當(dāng)熱量在同一物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)，遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)熱量流過兩個(gè)相接觸固體的交界面時(shí)，界面本身對(duì)熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何表面接觸良好的兩物體，實(shí)際接觸面積只是交界面的一部分，其余部分都是縫隙，熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)不及一般的固體材料。

　　對(duì)于部分熱通道材料層因其厚度很小，在建模過程中可不體現(xiàn)出來，而采用等效面接觸熱阻替代，便于散熱建模CFD仿真分析。例如：

　　(1) 采用回流焊工藝將LED光源焊接到鋁基板上，LED光源燈珠與鋁基板間設(shè)置接觸熱阻。回流焊層的主要材料成分為錫(96%)，厚度一般為0.1~0.15mm,導(dǎo)熱系數(shù)為60W/(K·m)。

　　(2) 如圖5，鋁基板由導(dǎo)電層、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層構(gòu)成，導(dǎo)電層厚度微小、導(dǎo)熱率好，因此可忽略不計(jì)；主要熱阻由導(dǎo)熱絕緣層決定，導(dǎo)熱絕緣層厚度小、導(dǎo)熱率差，而金屬基層厚度大、導(dǎo)熱好，若二者按同一材料體設(shè)置，仿真結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

　　鋁基板絕緣層與回流焊錫層的熱阻進(jìn)行換算成一等效熱阻R等效，計(jì)算公式如下：

　　進(jìn)一步，R等效可用等效導(dǎo)熱系數(shù)狉等效來表示，而狉等效可按下式計(jì)算：

　　式中，ri為各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，hi為各通道厚度。

　　文中燈具采用貝格斯鋁基板(絕緣層厚度0.076mm、導(dǎo)熱系數(shù)1W/(K·m))，則等效導(dǎo)熱系數(shù)K等效為2.88W/(K·m)，厚度為0.226mm.

　　(3) 鋁基板通過導(dǎo)熱硅脂或硅膠墊片與散熱器連接，此通道層設(shè)置成面接觸熱阻，厚度為0.5mm、導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(K·m)即可。不同的粘結(jié)層材料厚度和導(dǎo)熱系數(shù)都會(huì)對(duì)LED工作溫度產(chǎn)生影響，如圖6和圖7所示。

　　分析可知粘結(jié)層厚度越小，粘結(jié)材料導(dǎo)熱系數(shù)越高，LED的工作溫度越低，燈具散熱越好。

　　3 熱載荷

　　3.1 熱載荷分布

　　熱載荷主要分布在兩個(gè)地方，LED光源和電源。LED光源發(fā)光而產(chǎn)生的熱量是LED燈具主要熱源處，當(dāng)前照明用LED的光電轉(zhuǎn)換效率ηLED約30%,亦即70%左右的LED輸入功率PLED轉(zhuǎn)換成熱量，則LED發(fā)熱量QLED：

　　而LED燈具驅(qū)動(dòng)電源中電子元器件同樣也是熱源之一。燈具輸入總功率(P燈)減去PLED求得電源消耗總功率(P電源)，再根據(jù)電源工作效率，即可求出電源發(fā)熱量Q電源：

　　3.2 熱載荷形式

　　熱源有兩種表現(xiàn)形式：體熱源和面熱源。25WLED筒燈熱載荷17.5W.分別按照兩種熱源形式進(jìn)行散熱仿真。仿真結(jié)果基本相同，如圖8所示，因此，不同的熱源形式對(duì)于CFD散熱仿真分析的影響并不是很大。

　　4 散熱材料導(dǎo)熱系數(shù)和輻射率

　　4.1 散熱材料導(dǎo)熱系數(shù)

　　材料的導(dǎo)熱系數(shù)高低反映的是材料熱傳導(dǎo)能力的強(qiáng)弱，熱傳導(dǎo)是影響散熱的最根本因素，它決定了LED燈具產(chǎn)生的熱量能否有效、快速傳遞到燈具散熱表面。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)因其物理屬性、生產(chǎn)工藝等有所不同。仿真分析14WLEDPAR30射燈，采用不同導(dǎo)熱系數(shù)的散熱材料，對(duì)LED燈具的工作溫度產(chǎn)生的影響，仿真結(jié)果如圖9所示，說明材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，最終的LED燈具工作溫度越低，散熱效果越好。

　　4.2 散熱材料輻射率

　　不同材料的熱輻射系數(shù)γ是不相同的，即使是同種材料不同表面處理工藝，其熱輻射系數(shù)也不盡相同[14],因此在CFD散熱仿真時(shí)，必須明確材料及其表面處理情況。仿真分析了7WLEDPAR16射燈的散熱器表面輻射系數(shù)分別為0.95、0.9、0.85、0.8、0.7、0.6、0.5的溫度場(chǎng)情況，圖10和圖11給出了LED工作溫度、散熱器平均溫度隨散熱材料輻射系數(shù)的變化趨勢(shì)。觀察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料輻射率在0.80以上變化時(shí)，LED工作溫度、散熱器平均溫度并未出現(xiàn)較大的變化，說明對(duì)于鋁制散熱器，材料輻射率達(dá)到0.80即可；而當(dāng)材料輻射率在0.80以下時(shí)，LED最大溫度、散熱器平均溫度隨材料輻射率呈線性變化關(guān)系，輻射率越低，溫度越高。因此，在產(chǎn)品散熱材料選擇時(shí)，可以表面輻射率0.80為參考。

　　5 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量驗(yàn)證

　　利用CFD仿真軟件分別對(duì)7WLEDPAR16射燈、14WLEDPAR30射燈進(jìn)行散熱仿真，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度，將室溫和固體初始溫度均設(shè)置為29℃，仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量采用8通道熱電耦測(cè)溫儀TP700,測(cè)量環(huán)境為無人走動(dòng)恒溫密閉實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境溫度為29℃。將實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量結(jié)果與CFD仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如表1、表2所示。

　　通過表1和表2的比較可以得出，仿真溫度與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量溫度誤差最大也僅有4.17℃，最小為0.17℃，說明本文所建立的LED燈具散熱模型比較符合實(shí)際工作情況，仿真精度比較高。同時(shí)，通過仿真還發(fā)現(xiàn)LED燈具驅(qū)動(dòng)電源工作溫度過高，在后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)過程中還可以有針對(duì)性地解決電源散熱問題，提升LED照明燈具產(chǎn)品的壽命和可靠性。

　　6 結(jié)論

　　邊界條件設(shè)置、熱阻計(jì)算、熱量載荷分析和散熱器等問題是LED燈具CFD仿真分析中的關(guān)鍵步驟，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證和修正，才能得出較為準(zhǔn)確的散熱模擬仿真分析結(jié)果。CFD散熱仿真結(jié)果對(duì)LED燈具開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用，可以縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)設(shè)計(jì)費(fèi)用、提升LED燈具產(chǎn)品的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)力。