陣列式大功率LED燈散熱分析與優(yōu)化*

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

LED 作為新型高效固體光源之一，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能和環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，它是人類(lèi)照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈問(wèn)世以后的又一次飛躍。隨著LED 性能的不斷提高，其在石油、化工、電力、醫(yī)藥、鐵路、船舶等應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展［1］，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，尤其在散熱方面。LED工作時(shí)所加電能的85%以上會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量，若疏導(dǎo)不力，芯片溫度將急劇升高，從而對(duì)LED材料的發(fā)光特性及壽命產(chǎn)生有極大影響，一般溫度每升高10 ℃，將導(dǎo)致光衰5%~8%并且壽命減半的嚴(yán)重后果［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用是通過(guò)改變LED 基板材料、封裝結(jié)構(gòu)、工藝和其他輔助工具帶走熱量的方法來(lái)試圖解決LED的散熱問(wèn)題［3］。從散熱方式來(lái)分主要有主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱兩種。在主動(dòng)散熱方面，Lan Kim［4］、Moo Whan Shin［5］分別做了用熱虹吸熱管冷卻LED的試驗(yàn)。然而，傳統(tǒng)的熱虹吸熱管由于是汽液同道，熱管彎曲效能劇降。而應(yīng)用在大功率LED 領(lǐng)域，熱管必須經(jīng)受彎曲，所以傳統(tǒng)的熱管也不能夠有效地解決大功率LED的散熱問(wèn)題。在被動(dòng)散熱方面，孫首群等［6］基于微單元時(shí)變換熱系數(shù)法分析計(jì)算了新型驅(qū)動(dòng)器散熱器的性能。饒連江等［7］研究了集成式LED燈具的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。趙敏等［8-9］對(duì)影響LED 燈具散熱性能的結(jié)構(gòu)幾何因素進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在LED散熱設(shè)計(jì)中，翅片散熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，較好的散熱效果得到了廣泛的應(yīng)用。

考慮到筆者所研究的LED燈具應(yīng)用在石油、化工場(chǎng)所，故本研究選擇翅片散熱的方式作為研究對(duì)象，同時(shí)采用陣列方式排布LED芯片。通過(guò)數(shù)值仿真，分析燈體材料、散熱片的位置、表面積對(duì)芯片結(jié)溫的影響；然后對(duì)燈具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行產(chǎn)品試制；最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行溫度試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果。

1 LED 散熱模型

1.1 燈體結(jié)構(gòu)

本研究將設(shè)計(jì)一款用于石油、化工場(chǎng)所的大功率防爆LED 路燈，由實(shí)際的大小和亮度的需求，擬設(shè)計(jì)的燈具外觀如圖1所示。燈體的外觀由燈殼和鋼化玻璃蓋組成，內(nèi)部布置了吸熱盤(pán)、鋁基板以及60 顆1 W的標(biāo)準(zhǔn)LED芯片。根據(jù)圖1尺寸，在ANSYS軟件中建立幾何模型。

圖1 LED燈具初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（尺寸單位：mm）

有限元模型中省略了LED 封裝的塑料部分、硅膠、細(xì)導(dǎo)線(xiàn)、孔洞、倒角等對(duì)燈體散熱的影響。事實(shí)上，改變不同封裝填充材料對(duì)熱導(dǎo)溫度的降低影響不大；其次，熱沉與鋁基板、鋁基板與吸熱盤(pán)通過(guò)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(jí)，為便于分析，可以忽略硅膠的影響；再者，孔洞、倒角等細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)燈具溫度場(chǎng)的影響甚小。

1.2 熱源

燈具的熱源為L(zhǎng)ED芯片，由于LED芯片只能將少數(shù)電能轉(zhuǎn)化為光能，而剩下約85%的能量將轉(zhuǎn)換為熱能，隨著芯片功率的不斷增加，燈具亮度不斷增加，芯片結(jié)溫和燈具溫度卻不斷升高，燈具的壽命也不斷減少。為解決燈具壽命和亮度這對(duì)矛盾，本研究采用1 W 的標(biāo)準(zhǔn)LED 芯片，陣列式排布60 顆在鋁基板上，排列方式為在直徑40 mm、85 mm、130 mm和175 mm的圓周上分別均勻布置6、12、18和24顆芯片。在增大燈具總功率的同時(shí)，將熱源分散在鋁基板上，使芯片均勻散熱，降低芯片結(jié)溫。該模型中芯片的發(fā)熱量取輸入功率的85%，即為0.85 W，芯片尺寸為1 mm×1 mm×1 mm，則發(fā)熱率為0.85 W/mm3。在此不考慮芯片級(jí)熱阻對(duì)結(jié)溫的影響，芯片的導(dǎo)熱系數(shù)取一個(gè)較大值。

1.3 邊界條件

燈具通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱交換的形式將熱量散熱到空氣中。熱傳導(dǎo)的優(yōu)劣取決于系統(tǒng)級(jí)熱阻，將作詳細(xì)探討，熱交換的優(yōu)劣取決于對(duì)流系數(shù)和空氣環(huán)境溫度。然而燈體與空氣的熱交換系數(shù)很難精確給出，根據(jù)以往文獻(xiàn)，通常空氣熱交換系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

內(nèi)部空腔：

外表面：

式中：h—空氣熱交換系數(shù)；v—空氣流速。

考慮到試驗(yàn)時(shí)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)境溫度取為50 ℃。

2 數(shù)值算例及優(yōu)化設(shè)計(jì)

本研究參照?qǐng)D1所示尺寸，建立有限元模型。因?yàn)樾酒叽巛^小，為提高計(jì)算精度，本研究采用20 節(jié)點(diǎn)的六面體單元solid90，同時(shí)按照上一節(jié)中的參數(shù)定義芯片發(fā)熱率和環(huán)境參數(shù)?，F(xiàn)分別討論燈體材料、吸熱盤(pán)散熱片和外殼散熱片對(duì)芯片結(jié)溫的影響，然后根據(jù)討論的結(jié)果對(duì)燈具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 燈體材料對(duì)結(jié)溫的影響

燈體材料對(duì)結(jié)溫的影響體現(xiàn)在其導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)結(jié)溫的影響，從定性分析來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱阻越小，導(dǎo)熱能力就越強(qiáng)，結(jié)溫越低。從定量計(jì)算來(lái)說(shuō)，本研究選擇了常見(jiàn)的一些金屬材料（如表1所示）進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，得到了與其結(jié)溫的關(guān)系（如圖2所示）。

表1 常見(jiàn)金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)

圖2 芯片結(jié)溫與導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖2 可以看出，芯片結(jié)溫雖導(dǎo)熱系數(shù)呈指數(shù)遞減，并趨近于80 ℃，為便于設(shè)計(jì)人員的使用，將數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合方程如下：

式中：T—芯片結(jié)溫，K—導(dǎo)熱系數(shù)。

由式（3）可知，當(dāng)選用金、銅為燈體材料時(shí)，其結(jié)溫能得到有效地降低，但其成本相對(duì)較高，而且不易于機(jī)械加工；當(dāng)選用鐵時(shí)，其結(jié)溫相對(duì)較高，因此綜合考慮選擇鋁作為燈體材料，散熱效果較好，且易于材料成型加工。

2.2 吸熱盤(pán)散熱片對(duì)結(jié)溫的影響

芯片的熱量主要以熱交換的形式傳入空氣，因此可通過(guò)增加燈體與空氣的熱交換面積，達(dá)到降低芯片結(jié)溫的目的。燈體與空氣的接觸面為外殼和內(nèi)部空腔，傳統(tǒng)的燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往基于工程師個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)布置外殼和內(nèi)部空腔的散熱翅片，難以保證其設(shè)計(jì)是可行和優(yōu)化的。本研究將數(shù)值傳熱分析引入散熱翅片的設(shè)計(jì)過(guò)程，分別研究在內(nèi)部吸熱盤(pán)和外殼設(shè)計(jì)散熱翅片對(duì)結(jié)溫的影響。

吸熱盤(pán)上的翅片布置一般分為兩種形式，一種是環(huán)向布置，另一種是徑向放射狀布置?，F(xiàn)筆者采用鋁為燈體材料，在前面的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，吸熱盤(pán)先布置環(huán)向翅片，然后布置放射狀翅片進(jìn)行數(shù)值分析。翅片設(shè)計(jì)如圖3所示，分別數(shù)值仿真了圖3（a~f）共計(jì)6個(gè)模型，得到了其芯片結(jié)溫與增加的翅片面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖3 吸熱盤(pán)散熱翅片設(shè)計(jì)圖

圖4 芯片結(jié)溫隨翅片面積增加的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖4 可以看出，芯片結(jié)溫隨著散熱翅片的增加而比例減少，但環(huán)向翅片和放射狀翅片對(duì)結(jié)溫的降低效果有所不同，圖4中從（a）~（b）為環(huán)向翅片對(duì)結(jié)溫的降低情況，從（c）~（f）為放射狀翅片對(duì)結(jié)溫的降低情況，很明顯，后者的斜率大于前者的斜率，意味著放射狀的翅片對(duì)結(jié)溫的降低效果優(yōu)于環(huán)狀翅片。為便于設(shè)計(jì)人員的使用，將數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合方程如下：

式中：T—芯片結(jié)溫，A1—吸熱盤(pán)翅片的面積。

2.3 外殼散熱片對(duì)結(jié)溫的影響

本節(jié)研究在外殼表面增加散熱翅片對(duì)芯片結(jié)溫的影響?？紤]到在內(nèi)部空腔部分對(duì)應(yīng)的外殼表面需要放置接線(xiàn)盒，不適宜布置散熱片，因此筆者在靠近燈蓋處的外殼表面布置散熱翅片。通過(guò)前面的分析布置放射狀的翅片散熱效果較好，故本研究在外殼表面沿著圓周上布置放射狀翅片，在此討論基于圖3（f）模型的基礎(chǔ)上均勻布置10、20、30和40片翅片對(duì)結(jié)溫的降低情況。外殼增加10 片散熱片的模型如圖5所示。數(shù)值計(jì)算得到的芯片結(jié)溫隨外殼翅片面積增加的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖5 外殼增加10片散熱片模型

圖6 芯片結(jié)溫隨翅片面積增加的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖6 可以看出，芯片結(jié)溫隨著散熱翅片的增加而比例減少，為便于設(shè)計(jì)人員的使用，將數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合方程如下：

式中：T—芯片結(jié)溫，A2—外殼翅片的面積。

結(jié)合式（4，5）可以看出，外殼散熱片的增加對(duì)芯片結(jié)溫的降低要優(yōu)于吸熱盤(pán)上的散熱片，這是因?yàn)橥獗砻娴臒峤粨Q系數(shù)大于內(nèi)部空腔的熱交換系數(shù)。

2.4 LED燈優(yōu)化設(shè)計(jì)

從前面的分析可以看出，首先，單選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，并不能持續(xù)降低芯片結(jié)溫；其次，無(wú)論是內(nèi)部散熱片和外殼散熱片的增加都能逐漸降低芯片結(jié)溫，但翅片的個(gè)數(shù)受加工工藝的限制，不可能無(wú)限地增加，相反密集的布置散熱翅片，會(huì)使得邊界層的粘滯作用增強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)流不能充分進(jìn)行，散熱效果反而更差；最后，考慮到外殼表面的布局，如接線(xiàn)盒和其他輔助部件的放置，外殼表面的散熱片無(wú)法均勻的布置。因此，本研究最終優(yōu)化的模型為在圖3（f）的基礎(chǔ)上，在環(huán)向不均勻的對(duì)稱(chēng)布置30 片散熱翅片，并在外殼頂部布置6 片散熱片，最終的LED 燈優(yōu)化模型和數(shù)值仿真的結(jié)果如圖7所示。

圖7 LED燈優(yōu)化模型及溫度分布（溫度單位：℃）

從圖7可以看出，燈具的最高溫度出現(xiàn)在芯片處，大小為76.8 ℃，相比于前面的模型，芯片結(jié)溫進(jìn)一步降低。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(guò)觀察整體的溫度云圖，燈具溫度場(chǎng)基本均勻，可見(jiàn)芯片的熱量經(jīng)過(guò)有效的疏導(dǎo)，傳入到空氣中，降低了芯片結(jié)溫，進(jìn)而延長(zhǎng)燈具的使用壽命。

3 溫度試驗(yàn)

本研究利用現(xiàn)代加工技術(shù)對(duì)最終優(yōu)化后的模型進(jìn)行同尺寸樣品制作，采用額定功率為1 W的LED芯片，共計(jì)60 顆陣列式布置在鋁基板上，樣品如圖8所示?，F(xiàn)筆者對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度試驗(yàn)，以對(duì)比分析和驗(yàn)證仿真計(jì)算的結(jié)果。溫度試驗(yàn)采用燈具的整機(jī)試驗(yàn)，樣品置于50 ℃的恒溫試驗(yàn)箱中，通以220 V 的電壓，連續(xù)運(yùn)行至溫度穩(wěn)定，然后用溫度計(jì)測(cè)試燈具外殼表面處的溫度值，溫度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖8 陣列式大功率LED燈

表2 溫度試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

從表2 可以看出，溫度試驗(yàn)和仿真模擬的結(jié)果存在一定的誤差，這是由測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境、有限元模型的簡(jiǎn)化（接線(xiàn)盒、孔洞、倒角、硅膠的簡(jiǎn)化）和接觸熱阻的忽略（吸熱盤(pán)與燈殼、燈蓋與燈殼之間的接觸熱阻）等所導(dǎo)致的，但總體來(lái)說(shuō)誤差相對(duì)不大，可忽略其簡(jiǎn)化等帶來(lái)的誤差，從而大大減少了仿真模擬的工作量。因此所采用的仿真設(shè)計(jì)基本能準(zhǔn)確地反應(yīng)產(chǎn)品的溫度分布，定性分析和定量計(jì)算的結(jié)果可指導(dǎo)企業(yè)對(duì)燈具進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足石油、化工場(chǎng)所的燈具對(duì)散熱較高要求，本研究對(duì)LED 燈具的散熱進(jìn)行了理論分析和仿真計(jì)算。首先，通過(guò)傳導(dǎo)路徑的分析，燈具的熱阻由系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)熱阻組成，主要探討了系統(tǒng)級(jí)熱阻對(duì)芯片結(jié)溫的影響。其次，通過(guò)數(shù)值仿真得到了有熱源的第三類(lèi)邊界熱傳導(dǎo)方程的數(shù)值解，并得到了如下結(jié)論：

（1）芯片結(jié)溫隨燈體材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加呈指數(shù)遞減的趨勢(shì)；

（2）芯片結(jié)溫隨吸熱盤(pán)散熱面積和外殼散熱面積的增加呈線(xiàn)性遞減的趨勢(shì)；

（3）吸熱盤(pán)上放射狀布置散熱片優(yōu)于環(huán)向布置的散熱效果；

（4）外殼散熱片的散熱效果優(yōu)于吸熱盤(pán)散熱效果。

最后，根據(jù)理論分析，本研究對(duì)燈具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和樣品制作，并對(duì)燈具進(jìn)行整機(jī)溫度試驗(yàn)，測(cè)得了燈具外殼表面幾處代表性的溫度值，與仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)比表明，所采用的數(shù)值模型能準(zhǔn)確地反映樣品的溫度分布情況，也表明優(yōu)化方案有較好的散熱效果，有助于延長(zhǎng)燈具的壽命。

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