陣列式大功率LED燈熱分析*

廖紹凱，梅甫良，林廣平，魏壇霖

（1.嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江嘉興 314001；2.創(chuàng)正防爆電器有限公司，浙江嘉興 314000）

0 引言

隨著石油、化工、電力、醫(yī)藥、鐵路、船舶等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，其照明電力需求越來越大，大功率LED照明節(jié)能技術(shù)在這些產(chǎn)業(yè)中的推廣應(yīng)用將產(chǎn)生不可估量的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。由于上述行業(yè)照明場所往往處在易燃燒、易爆炸的特殊條件下，對使用這些場所的照明燈具和設(shè)備的熱量控制和防爆性能提出了特殊要求[2]。

LED是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體元件，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色發(fā)光的原理，采用電場發(fā)光，是一種冷光源。其半導(dǎo)體器件PN結(jié)在45℃狀態(tài)工作時，理論壽命可以達(dá)到100 000小時。但是，由于目前LED芯片發(fā)展所處的技術(shù)階段，只能使10%～30%的電能轉(zhuǎn)化光能，其余的能量將以熱能的方式存在于芯片上，而LED光效率與工作溫度成反比，溫度每升高10℃，將導(dǎo)致光衰5%～8%，并且壽命減半的嚴(yán)重后果[3]。由于LED產(chǎn)生的熱量主要以熱傳導(dǎo)和熱交換的方式散發(fā)到空氣中去，因此合理優(yōu)化設(shè)計LED燈具的散熱裝置，改善燈具的內(nèi)部流場，有效降低LED燈具表面及芯片的溫度，提高其穩(wěn)定性和使用壽命，成為眾多學(xué)者研究的課題。蘇達(dá)等研究了封裝技術(shù)對大功率LED燈具散熱性能的影響[4]。余彬海等對LED燈具的熱阻性能進(jìn)行了研究，并討論了其對散熱效果的影響[5]。劉紅等研究了集成式大功率LED燈具的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]。張心標(biāo)等討論了散熱翅片厚度、高度、間距、數(shù)目等對LED燈具散熱效果的影響[7-9]。閻軍等對影響LED燈具散熱性能的結(jié)構(gòu)幾何因素進(jìn)行了流場分析，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[10-11]。本文作者前期基于ANSYS有限元仿真軟件，建立了陣列式大功率防爆LED燈模型，通過改變燈體材料、增減散熱翅片、改變換熱系數(shù)等研究了其對燈體散熱的影響，得到了相關(guān)優(yōu)化參數(shù)。

本文在前期有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了燈具的散熱結(jié)構(gòu)、燈體材料、荷載和邊界條件，完善了陣列式大功率防爆LED散熱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型，計算了在室內(nèi)密閉環(huán)境下，燈具的溫度場、溫度梯度以及熱流密度，得到了芯片和燈體表面的溫度；然后按照數(shù)值分析模型參數(shù)，進(jìn)行了樣品試制，并將樣品送往國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行溫度試驗(yàn)；最后對仿真結(jié)果和溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1 LED散熱結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真

1.1 燈體結(jié)構(gòu)

本文所采用的燈體的外觀由燈殼和燈蓋組成，內(nèi)部布置了吸熱盤、鋁基板以及60顆1 W的標(biāo)準(zhǔn)LED芯片，并在燈殼和吸熱盤上分別布置了各種樣式的散熱翅片，增大與空氣熱交換的面積，以提高燈具散熱效果。具體模型如圖1所示，其中圖1（c）、圖1（d）為內(nèi)部透視圖，以顯示內(nèi)部芯片、吸熱盤的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 LED燈具數(shù)值模型

模型的主要幾何參數(shù)：燈體總高160 mm；燈蓋外徑272 mm，內(nèi)徑247 mm，高21 mm；透明件外徑247 mm，厚度12 mm，距底端6 mm；燈殼下部大圓柱外徑267 mm，內(nèi)徑247 mm，高63 mm；燈殼上部為圓錐體，其下端內(nèi)徑218 mm，上端內(nèi)徑208 mm，厚度5 mm；燈殼頂部散熱片厚度5 mm，對稱分布6條，間距10 mm，燈殼下部大圓柱環(huán)向分布散熱片厚度5 mm，高度60 mm，對稱分布30條，翅片間夾角分別為8°、25°、27°和73°；內(nèi)部鋁基板厚度2 mm，外徑200 mm；吸熱盤總高30 mm，下部與鋁基板結(jié)合，環(huán)向與燈殼結(jié)合，上部挖空25 mm放置散熱片，高度8 mm，其中大圓環(huán)內(nèi)環(huán)向均勻30條散熱片，厚度2 mm，小圓環(huán)內(nèi)環(huán)向均勻分布10條散熱片，厚度3.5 mm，將散熱片隔離的圓弧內(nèi)徑分別為10 mm，72 mm，厚度均為2 mm。

本模型中省略了LED封裝的塑料部分、透鏡、襯底、細(xì)導(dǎo)線等對燈體散熱的影響。事實(shí)上，有文獻(xiàn)表明，改變不同封裝填充材料對熱導(dǎo)溫度的降低影響不大，即使封裝材料的熱導(dǎo)率達(dá)到7 W/m·K，相比使用熱導(dǎo)率僅為0.25 W/m·K的材料，芯片溫度下降不多，鋁基板溫度也只下降2.271℃；其次熱沉與鋁基板，鋁基板與吸熱盤通過硅膠導(dǎo)熱，元件結(jié)合十分緊密，一般硅膠結(jié)合厚度在微米量級，為便于分析，可以忽略硅膠的影響。同時在建立有限元模型時，為便于網(wǎng)格劃分，忽略了對結(jié)果影響不大的圓角、孔洞以及部分局部特征。

1.2 燈體材料

通過前期的仿真分析，分別討論了燈體采用不銹鋼、鑄鐵、鋁合金、銅、銀、鉆石等材料時，其芯片和燈體表面溫度變化情況。不銹鋼和鑄鐵由于其導(dǎo)熱系數(shù)相對不高，其芯片最高溫度超過了芯片的熱設(shè)計參考閥值95℃；而銅、銀、鉆石雖滿足，但其成本太高，加工也不容易；綜合考慮本模型采用燈體材料為鋁合金ADC12，導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/m·K，燈蓋為鋼化玻璃，導(dǎo)熱系數(shù)取為300 W/m·K。

1.3 芯片發(fā)熱量

眾所周知，隨著LED的輸入功率的增加，燈具的亮度也會成比例增強(qiáng)，但由于LED的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100%，只能將少數(shù)電能轉(zhuǎn)化為光能，而剩下的約70%的能量轉(zhuǎn)換為熱能，造成芯片結(jié)溫不斷升高。為此本文采用陣列式排布60顆1 W的標(biāo)準(zhǔn)LED芯片在鋁基板上，排列方式為在直徑為40 mm、85 mm、130 mm和175 mm圓周上分別均勻布置了6、12、18和24顆芯片。在增大燈具功率的同時，使芯片均勻散熱，降低芯片結(jié)溫。本模型中芯片的發(fā)熱量取輸入功率的85%，即為0.85 W，標(biāo)稱尺寸為1mm×1mm×1mm，發(fā)熱率為0.85 W/mm3，同時為了模擬芯片均勻發(fā)熱，芯片的導(dǎo)熱系數(shù)取為一個較大值。

1.4 環(huán)境參數(shù)

燈具的傳熱路徑為芯片、鋁基板、吸熱盤、燈體，然后燈體與周圍空氣發(fā)生熱交換，將熱量散發(fā)出去，從而降低燈具的結(jié)溫。然而燈體與空氣的熱交換的計算很難給出比較精確的計算結(jié)果，而且使用時也容易出錯，根據(jù)以往文獻(xiàn)，通常情況下建議使用一些經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)?？諝鈱α飨禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下

內(nèi)表面：h=2.5+4.2v （1）外表面：h=(2.5～6.0)+4.2v （2）其中：h表示空氣對流系數(shù)；v表示空氣流速。

文獻(xiàn)表明一塊0.2 m2水平放置的平板，在自然對流情況下空氣的熱交換系數(shù)約為5 W/m2·k，在空氣流速為3 m/s的強(qiáng)迫對流下與空氣的熱交換系數(shù)約為15 W/m2·k?？紤]到試驗(yàn)時燈具置于試驗(yàn)箱中，處于室內(nèi)封閉環(huán)境，因此燈具的外部熱交換系數(shù)取為5 W/m2·k，燈具內(nèi)部空腔的熱交換系數(shù)取為2.5 W/m2·k，燈具的環(huán)境溫度與試驗(yàn)時試驗(yàn)箱中的環(huán)境溫度一致，取為50℃。

1.5 仿真分析

本文采用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真計算，按照前文建立了陣列式防爆LED燈有限元模型，定義芯片、燈體和鋼化玻璃蓋的材料參數(shù)，選用solid90單元并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后施加芯片的發(fā)熱率和環(huán)境邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場計算，得到了陣列式防爆LED燈仿真結(jié)果，包括燈具的溫度場、溫度梯度及熱流密度，如圖2、圖3、圖4所示，其中圖2（c）、圖2（d）、圖3和圖4均為內(nèi)部透視圖。

圖2 燈具溫度分布

圖3 燈具溫度梯度

圖4 燈具熱流密度

從圖2可以看出，燈具的最高溫度出現(xiàn)在芯片處，大小為76.8℃，最低溫度出現(xiàn)在燈殼的頂部，大小為69.7℃，溫差為7.1℃，通過觀察整體的溫度云圖，燈具溫度場基本均勻，可見芯片的熱量經(jīng)過有效的疏導(dǎo)，傳入到空氣中，而不致芯片結(jié)溫超過95℃，保證了燈具的使用壽命。從定性的因素來看，主要是燈體材料選擇了熱導(dǎo)性較好的鋁合金，使得燈體的溫度分布均勻，相對溫差不大，其次散熱翅片較合理的布置，包括燈殼頂部和燈殼下部環(huán)向的翅片，以及內(nèi)部吸熱盤的散熱翅片，增大了燈體與空氣的熱交換面積，使得燈體的溫度能傳入到空氣中，降低了燈體及芯片的絕對溫度。另外從圖2中可以看出，燈殼外部的最高溫度在與吸熱盤較接近處，大小為72.1℃，外殼頂部的溫度為69.7℃，鋼化玻璃蓋的溫度為70.6℃。

2 溫度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證有限元仿真計算的合理性，以及進(jìn)一步了解防爆LED燈的散熱機(jī)理，對上述防爆LED燈具進(jìn)行了溫度試驗(yàn)。利用現(xiàn)代加工技術(shù)對上述防爆LED燈仿真模型進(jìn)行了近似1:1比例的樣品制作，如圖5所示。該防爆燈由鑄鋁合金的隔爆型主體和增安型接線盒組成，二者之間通過導(dǎo)線連接并進(jìn)行澆封處理，主體外殼、燈蓋、吸熱盤、鋁基板和芯片的布置按有限元模型尺寸進(jìn)行設(shè)計，在外殼上部增加了接線盒、內(nèi)部空腔安置了接線端子、其余局部增加了小孔洞和圓弧倒角。

圖5 防爆LED燈

樣品的溫度試驗(yàn)在國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行，該試驗(yàn)為整機(jī)試驗(yàn)，樣品置于50℃的試驗(yàn)箱中，連續(xù)運(yùn)行至溫度穩(wěn)定，最終測得了燈具外殼表面有代表性的溫度值，并對試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的溫度值進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 試驗(yàn)測試溫度與仿真分析結(jié)果對比

考慮到測試設(shè)備、測試環(huán)境、有限元模型的簡化（接線盒、孔洞、倒角、硅膠的簡化）和接觸熱阻的忽略（吸熱盤與燈殼、燈蓋與燈殼之間的接觸熱阻）等的影響，試驗(yàn)和仿真模擬的結(jié)果存在一定的誤差。從定性來考慮，接觸熱阻的增加、硅膠的簡化會導(dǎo)致實(shí)測值的溫差更不均勻；接線盒和孔洞等散熱面積的增加會導(dǎo)致實(shí)測表面溫度更低；不同材料的熱交換系數(shù)難以精確確定也會帶來一定誤差；從溫度試驗(yàn)和仿真模擬結(jié)果的對比也體現(xiàn)了這些定性分析的趨勢。從定量來考慮，幾處溫度對比的最大誤差為3.6℃，誤差率為5.4%；最小誤差為0.6℃，誤差率為0.8%，誤差相對不大，仿真模擬基本能準(zhǔn)確的反應(yīng)產(chǎn)品的溫度分布，從而更進(jìn)一步幫助企業(yè)對本產(chǎn)品進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化，降低芯片溫度，滿足客戶需求，提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

3 結(jié)論

本文借助ANSYS仿真軟件對陣列式大功率防爆LED燈進(jìn)行了仿真模擬?？紤]到該燈具將應(yīng)用于石油、化工場所，對燈具的散熱提出了更高的要求，本文從燈具結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計、燈體材料的選擇、芯片發(fā)熱量以及環(huán)境參數(shù)的合理定義進(jìn)行了較為細(xì)致的探討和分析，以利于仿真結(jié)果更接近實(shí)際，同時更有效地降低芯片結(jié)溫。然后通過仿真計算，得到了燈具的溫度分布、溫度梯度和熱流密度。最后，將該燈具進(jìn)行了樣品制作，并進(jìn)行整機(jī)溫度試驗(yàn)，測得了燈具外殼表面有代表性的溫度值，以驗(yàn)證仿真模擬的結(jié)果。從兩者的對比來看，仿真計算結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映樣品的溫度分布情況，也表明該防爆燈具具有較好的散熱效果，能滿足石油、化工場所的散熱要求。

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