導(dǎo)流散熱型LED燈的熱分析與試驗(yàn)研究

王 祥，吳清文，楊獻(xiàn)偉，高建國(guó)，黃 勇，徐振邦

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039；3.都江堰光明光電材料有限責(zé)任公司，四川 成都610000）

引言

發(fā)光二極管（LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，因?yàn)樗鼔勖L(zhǎng)（約是熒光燈的5倍）、光效高（約是熒光燈的10倍）、功耗低（同樣照明效果的情況下，耗電量?jī)H是熒光燈的一半），因而被廣泛應(yīng)用于LED節(jié)能燈的領(lǐng)域［1］，然而，LED散熱問題一直阻礙它的大力發(fā)展。目前LED的電光轉(zhuǎn)換率能夠達(dá)到15%～35%，其余65%～85%均轉(zhuǎn)化為熱能［2］。LED的尺寸比較小，僅為1mm×1mm～2.5mm×2.5mm，熱流密度高達(dá)100W／cm2，屬于高熱流密度器件［3］。而LED燈的溫度過高會(huì)帶來很多問題，諸如光輸出降低、發(fā)射的光波發(fā)生紅移、色溫和顯色系數(shù)發(fā)生變化、壽命按指數(shù)縮短和器件穩(wěn)定性降低［4］等。因此若想提高LED燈的使用壽命和穩(wěn)定性，需要有效解決LED燈的散熱問題。目前業(yè)界對(duì)于大功率LED光源產(chǎn)品的散熱一般采用固體傳導(dǎo)式散熱。散熱片采用大量的鋁、鋅合金等材質(zhì)進(jìn)行沖壓或壓鑄制作；熱管、納米傳熱技術(shù)、微通道、風(fēng)扇等主動(dòng)散熱技術(shù)也多被采用［5］。雖然上述方法在一定程度上都能夠起到散熱的目的，但無論哪種散熱方式，都提高了制造難度，增加了生產(chǎn)成本，并且產(chǎn)品設(shè)計(jì)上也存在諸多掣肘。由于自然對(duì)流自身有安全、經(jīng)濟(jì)、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于LED燈的散熱，本文研究的LED燈主要依靠自然對(duì)流的方式進(jìn)行散熱。通過在燈杯體四周開設(shè)多組對(duì)流孔的形式來提高散熱能力，這種散熱方式能夠簡(jiǎn)化燈體結(jié)構(gòu)、提高制造工藝性，明顯降低成本。通過對(duì)LED燈在有、無空氣導(dǎo)流情況下進(jìn)行了熱仿真分析，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。對(duì)影響LED燈散熱的幾個(gè)因素進(jìn)行靈敏度分析，提出了進(jìn)一步提高LED燈散熱能力的建議。

1 LED燈及其熱設(shè)計(jì)

該型號(hào)空氣導(dǎo)流式LED燈主要由燈頭、燈杯、燈蓋、線路板和基板幾個(gè)部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1。為了提高其散熱能力，采取了以下散熱措施：

圖1 某型號(hào)LED燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of an LED lamp

1）燈杯四周開設(shè)多組對(duì)流孔，起到導(dǎo)流的作用；

2）為了減少基板與燈杯之間的接觸熱阻，二者用導(dǎo)熱膠固結(jié)；

3）為了加強(qiáng)輻射散熱，該型號(hào)節(jié)能燈的燈蓋采用鍍有紅外增透膜的特種玻璃；

4）基板下表面通過涂白漆的方式來提高發(fā)射率［6］。

該型號(hào)的LED燈在熱傳導(dǎo)、熱輻射兩種散熱方式的基礎(chǔ)上，還引入了燈體內(nèi)部自然對(duì)流散熱。在LED燈內(nèi)部，因溫度梯度和重力引起空氣的自然對(duì)流，燈內(nèi)熱空氣沿上通風(fēng)口流出，導(dǎo)致燈內(nèi)的壓強(qiáng)降低，冷空氣沿著下通風(fēng)口流入燈內(nèi)，在對(duì)流的作用下冷空氣帶走大量熱量，從而起到散熱的目的。

2 仿真分析

仿真與試驗(yàn)的過程中均忽略燈罩對(duì)自然對(duì)流的影響。有空氣導(dǎo)流散熱孔時(shí)，該型號(hào)的LED燈的傳熱問題屬于“輻射-對(duì)流-傳導(dǎo)”耦合傳熱。而無空氣導(dǎo)流散熱孔時(shí)，燈體內(nèi)部的對(duì)流強(qiáng)度非常弱，按傳導(dǎo)模型來簡(jiǎn)化，這種情況下主要考慮輻射換熱、傳導(dǎo)換熱以及燈體外部與空氣的對(duì)流換熱。

該型號(hào)LED燈的額定輸入功率為5W，按照光電轉(zhuǎn)換率為30%計(jì)算，有3.5W的電能轉(zhuǎn)換成熱能。利用I-DEAS／ESC軟件建立熱仿真分析模型。將轉(zhuǎn)化為熱能的功耗全部集中在8個(gè)均勻分布的LED上，環(huán)境溫度取試驗(yàn)室實(shí)測(cè)溫度23℃。

2.1 單元類型和材料屬性

仿真分析模型中，各部件材料屬性和單元類型如表1所示。燈蓋材料為表面鍍有紅外增透膜的玻璃，其紅外透過率高達(dá)0.94；基板的材料為鋁，上表面發(fā)射率為0.2，下表面涂有白漆，發(fā)射率為0.6。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

網(wǎng)格劃分時(shí)，除空氣選擇實(shí)體單元外，其余均選擇殼體單元。在不采用空氣導(dǎo)流技術(shù)的情況下，模型中共3 396個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 699個(gè)單元；在采用空氣導(dǎo)流散熱技術(shù)的情況下，共10 868個(gè)節(jié)點(diǎn)，31 579個(gè)單元。

2.2 參數(shù)取值

1）輻射換熱分析

該LED燈可以等效為封閉腔的輻射傳熱，經(jīng)TMG計(jì)算得到各個(gè)表面之間的視角系數(shù)如表2。其中基板對(duì)燈杯、基板對(duì)燈蓋、燈蓋外表面對(duì)空氣、燈杯內(nèi)表面對(duì)空氣建立的輻射視角系數(shù)均設(shè)置為1。

表2 視角系數(shù)的設(shè)置Table 2 View factor settings

2）熱傳導(dǎo)分析

該熱分析模型中采用內(nèi)、外兩層殼體單元來劃分組件的網(wǎng)格，因此需通過設(shè)置兩層殼體之間的傳導(dǎo)系數(shù)來模擬材料自身傳導(dǎo)熱阻，傳導(dǎo)系數(shù)的計(jì)算公式：

式中：λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；d為材料的厚度。

玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.65～0.71W／（m·K），故厚度為3mm的燈杯內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為220W／（m2·K）；厚度為2mm的燈蓋的內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為320W／（m2·K）。

模型中除了考慮部件自身傳導(dǎo)傳熱外，還需考慮部件之間接觸傳熱，一般直接接觸的傳熱系數(shù)小于200W／（m2·K），涂有導(dǎo)熱膠時(shí)傳熱系數(shù)大于500W／（m2·K）［7-8］，修正后的接觸傳熱系數(shù)取值如表3。

表3 接觸熱阻的取值Table 3 Thermal contact resistance value

3）對(duì)流換熱分析

該型號(hào)LED燈設(shè)有空氣導(dǎo)流散熱孔，熱分析模型中應(yīng)重點(diǎn)考慮自然對(duì)流換熱。將燈體與空氣的對(duì)流換熱分為內(nèi)部對(duì)流和外部對(duì)流兩類，對(duì)流換熱系數(shù)h的經(jīng)驗(yàn)式如式2、式3［9］。

內(nèi)部對(duì)流換熱時(shí)：

外部對(duì)流換熱時(shí)：

式中v為空氣流速，單位為m／s。

通常自然對(duì)流的空氣流速小于0.5m／s，熱仿真模型中，燈體內(nèi)部的對(duì)流換熱系數(shù)均取2.92W／（m2·K），燈體外部的對(duì)流換熱系數(shù)均取5.5W／（m2·K）。

定義PCB板2個(gè)表面的特征，以此來描述其粗糙度。其中粗糙度為2mm來表示元件組成面，粗糙度為0.5mm來表示焊點(diǎn)面。

定義12個(gè)和自然環(huán)境換熱的通風(fēng)口，考慮到入口流速的影響，在8個(gè)入口處壓頭損失系數(shù)設(shè)置為1。

修正后的熱仿真模型的計(jì)算結(jié)果見圖2～圖4，其中圖2為無空氣導(dǎo)流孔的情況下，LED燈穩(wěn)態(tài)的溫度分布。圖3、圖4為采用空氣導(dǎo)流散熱技術(shù)后，燈內(nèi)空氣流速、燈內(nèi)空氣溫度以及燈體溫度的分布。

圖2 無空氣導(dǎo)流散熱孔時(shí)LED燈溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution of LED lamp without air vents

由圖2可見，在沒有空氣導(dǎo)流散熱孔的情況下，LED的結(jié)溫為82.57℃。燈杯外表面的平均溫度約為51.45℃。

由圖3（a）可知，空氣流入燈體時(shí)溫度為23℃，流出時(shí)溫度為53℃，升高了30℃，貼壁處流體溫度等于壁面溫度；由圖3（b）可知，燈內(nèi)的流速分布有兩頭小中間大的特點(diǎn)，貼壁處由于粘性作用空氣流速接近為0。最大流速出現(xiàn)在上出風(fēng)口處，流速為102.48mm／s。由圖4可知，此時(shí)LED的結(jié)溫為73.95℃，燈內(nèi)材料或器件的溫度以LED為中心向四周逐漸降低，燈體平均溫度約為43.46℃。

與無空氣導(dǎo)流散熱孔情況下的溫度相比，有空氣導(dǎo)流條件下結(jié)溫下降了8.62℃，燈體平均溫度下降了7.99℃。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證開設(shè)空氣導(dǎo)流散熱孔后的散熱效果，進(jìn)行了以下2個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見圖5，主要由試驗(yàn)支架、Keithley測(cè)溫儀、熱電偶（帶電纜）、PC機(jī)、電源等幾部分組成。

圖5 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.5 Test equipment

a）試驗(yàn)1。在有導(dǎo)流散熱孔的情況下，溫度傳感器的3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別采集LED結(jié)點(diǎn)、燈體中部典型位置、室內(nèi)的溫度，代號(hào)依次為T1、T2和T3。

b）試驗(yàn)2。在試驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)流孔密封，測(cè)點(diǎn)位置與試驗(yàn)1一致，代號(hào)分別為T1′、T2′、T3′。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

LED燈點(diǎn)亮約40min后各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定，溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6，其中室溫基本保持在（23±0.5）℃范圍內(nèi)，在有、無空氣導(dǎo)流孔的情況下，LED結(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)溫度分別為73.81℃和81.72℃。

圖6 有、無導(dǎo)流孔時(shí)的溫度曲線Fig.6 Temperature curves with and without vents

3.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4。

表4 有、無導(dǎo)流孔時(shí)試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Table 4 Test values compared with simulated values with and without vents

由上表可見，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，誤差均小于4%，可以認(rèn)為仿真模型可靠。試驗(yàn)結(jié)果顯示，有導(dǎo)流散熱孔時(shí)結(jié)溫降低了7.91℃，降溫幅度為9.7%；仿真結(jié)果顯示，有導(dǎo)流散熱孔的情況下結(jié)溫降低了8.62℃，降溫幅度為10.4%。綜合仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可見，在采用空氣導(dǎo)流散熱技術(shù)的情況下，溫度降幅約為10%。

圖7為L(zhǎng)ED半衰期隨結(jié)溫的變化曲線，LED的壽命隨溫度的升高迅速下降，然后趨于平緩。當(dāng)結(jié)溫低于80℃時(shí)，繼續(xù)降低LED的結(jié)溫，將明顯延長(zhǎng)LED工作壽命。根據(jù)上述仿真及試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)LED結(jié)溫由82℃降至73℃時(shí)，LED的壽命能夠延長(zhǎng)約2 000h。

圖7 LED半衰期隨結(jié)溫的變化曲線Fig.7 Curve of half-life versus junction temperature

4 其他散熱方案與討論

為進(jìn)一步得到提高LED燈散熱能力的方案，我們采用如下的方法進(jìn)行研究：首先列舉出可能影響其散熱的因素，然后通過對(duì)修正后的仿真模型對(duì)這些因數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。

分析結(jié)果見圖8，其中黑點(diǎn)所在的位置表示熱仿真模型中修正后的參數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度。圖8（a）為結(jié)溫與基板下表面的發(fā)射率的關(guān)系曲線（計(jì)算中發(fā)現(xiàn)基板上表面對(duì)結(jié)溫的影響甚微，因此不作討論）、圖8（b）為結(jié)溫與基板和燈杯之間的接觸熱阻的關(guān)系曲線，圖8（c）為結(jié)溫與導(dǎo)流孔和LED之間的距離的關(guān)系曲線。

由圖8可見，基板下表面發(fā)射率、傳熱系數(shù)、導(dǎo)流孔和LED的距離3個(gè)因素對(duì)結(jié)溫影響比較大。為了進(jìn)一步降低結(jié)點(diǎn)溫度，還可以通過以下3種方式：1）增加基板下表面的發(fā)射率；2）增加各接觸面之間的傳熱系數(shù)；3）對(duì)溫度特別敏感的原件應(yīng)該放置于冷風(fēng)入口處，此時(shí)從對(duì)流傳熱的角度考慮，該處流體溫度最低換熱溫差大。從輻射傳熱的角度考慮該處電子元件對(duì)冷表面的角系數(shù)遠(yuǎn)大于將元件置于印制板中間位置時(shí)的數(shù)值，因此也增加了輻射傳熱。

圖8 結(jié)溫與各參數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Curves of junction temperature versus parameters

仿真分析表明：對(duì)流孔的增大，可以提高散熱能力，但實(shí)際應(yīng)用中孔的邊長(zhǎng)需要控制在2mm以內(nèi)，因此建議在控制對(duì)流孔尺寸的同時(shí)，盡量增加導(dǎo)流孔的數(shù)量。結(jié)合該LED燈的尺寸發(fā)現(xiàn)，對(duì)流孔的數(shù)量可以在原基礎(chǔ)上擴(kuò)大一倍，即上面的導(dǎo)流孔的個(gè)數(shù)由4增至8，下面的導(dǎo)流孔的個(gè)數(shù)由8增至16，對(duì)流孔的具體形狀以及布置方式可以作進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

通過對(duì)LED燈進(jìn)行空氣導(dǎo)流散熱的設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)等工作，得出以下結(jié)論：

1）空氣導(dǎo)流散熱技術(shù)在LED節(jié)能燈上應(yīng)用能有效地降低LED器件的結(jié)溫，從而明顯地延長(zhǎng)其使用壽命；

2）LED的結(jié)溫隨著導(dǎo)流孔與LED之間的距離增大而升高，隨著基板下表面發(fā)射率的增大而降低，隨著基板與燈杯之間接觸傳熱系數(shù)的增大而降低，以上結(jié)論可供相關(guān)產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)參考。

3）多次修正迭代后的熱仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果一致性較高，模型中參數(shù)取值可信。有關(guān)設(shè)計(jì)與分析方法可以推廣應(yīng)用于同類產(chǎn)品的開發(fā)，可加速產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，節(jié)約開發(fā)成本。

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