新聞中心

EEPW首頁 > 光電顯示 > 設(shè)計應(yīng)用 > LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問題研究

LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問題研究

作者: 時間:2016-12-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
本文綜合研究了邊界條件設(shè)置、熱阻計算、熱量載荷分析和散熱器等仿真建模的關(guān)鍵問題,并與實驗室溫度測量相結(jié)合來驗證仿真方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,該方法對室內(nèi)照明LED燈具能進行較為準(zhǔn)確的散熱分析,仿真溫度誤差在4℃左右,仿真結(jié)果對LED燈具開發(fā)設(shè)計具有重要參考價值。

  0 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/325420.htm

  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)溫升高會影響LED的壽命、光效、光色(峰值波長)、色溫、配光、可靠性、發(fā)光強度、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,國內(nèi)外學(xué)者針對照明用熱設(shè)計的相關(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)、熱對流及熱輻射,分析求解LED燈具內(nèi)外的溫度場和流場等,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,并通過實驗室溫度測量驗證模型仿真結(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℃時的溫度場分布情況,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,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)來計算:

  式中,犔表示熱通道路徑的長度,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,遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)熱量流過兩個相接觸固體的交界面時,界面本身對熱流呈現(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)和熱輻射進行傳遞,而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。

  對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?;亓骱笇拥闹饕牧铣煞譃殄a(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;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)果將會出現(xiàn)較大偏差。

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

  進一步,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)都會對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,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。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,LED工作溫度、散熱器平均溫度并未出現(xiàn)較大的變化,說明對于鋁制散熱器,材料輻射率達到0.80即可;而當(dāng)材料輻射率在0.80以下時,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,可以表面輻射率0.80為參考。

  5 仿真數(shù)據(jù)與實驗室測量驗證

  利用CFD仿真軟件分別對7WLEDPAR16射燈、14WLEDPAR30射燈進行散熱仿真,根據(jù)實驗室環(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。實驗室溫度測量采用8通道熱電耦測溫儀TP700,測量環(huán)境為無人走動恒溫密閉實驗室,環(huán)境溫度為29℃。將實驗室溫度測量結(jié)果與CFD仿真結(jié)果進行比較,如表1、表2所示。

  通過表1和表2的比較可以得出,仿真溫度與實驗室測量溫度誤差最大也僅有4.17℃,最小為0.17℃,說明本文所建立的熱模型比較符合實際工作情況,仿真精度比較高。同時,通過仿真還發(fā)現(xiàn)LED燈具驅(qū)動電源工作溫度過高,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)合實驗室溫度測量進行驗證和修正,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LED燈具開發(fā)設(shè)計具有重要的參考價值和指導(dǎo)作用,可以縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)設(shè)計費用、提升LED燈具產(chǎn)品的可靠性和競爭力。



關(guān)鍵詞: LED燈具散

評論


技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉