LED球泡燈塑包鋁散熱器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

廖　炫，郭震寧，潘詩(shī)發(fā)，顏穩(wěn)萍，李建鵬

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)　361021)

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LED球泡燈塑包鋁散熱器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

廖炫，郭震寧，潘詩(shī)發(fā)，顏穩(wěn)萍，李建鵬

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)361021)

利用有限元CFD仿真軟件對(duì)一款LED塑料包裹鋁制散熱套件(以下簡(jiǎn)稱“塑包鋁”)球泡燈進(jìn)行熱仿真。通過(guò)對(duì)比實(shí)際測(cè)量溫度及仿真溫度驗(yàn)證所建模型及模擬步驟的正確性，并在此基礎(chǔ)上，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析了塑料厚度、鋁厚度等各個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)散熱和質(zhì)量的影響，綜合兩者考慮得出了最佳參數(shù)組合。結(jié)果表明：通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化后，雖然散熱器質(zhì)量有了一定增加，但是LED的基板溫度由原來(lái)的96.05℃降為88.85℃，下降了7.2℃，散熱效果得到明顯改善。

CFD； 塑包鋁； 正交優(yōu)化； 散熱

引言

第四代光源LED由于其自身節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，正逐步取代傳統(tǒng)光源而被廣泛運(yùn)用于各種燈具之中。但受目前的生產(chǎn)技術(shù)限制，大功率LED產(chǎn)品僅有約20%左右的輸入功率轉(zhuǎn)換為光能，剩下的80%左右均轉(zhuǎn)換為熱能[1]。若這些熱量不能及時(shí)散出去，會(huì)使LED壽命縮短，色漂加劇，產(chǎn)生嚴(yán)重光衰等不良影響。因此，良好的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高LED壽命和穩(wěn)定性的保證。而目前絕大多數(shù)的燈具采用的散熱器均為鋁制散熱器，雖然可以達(dá)到散熱目的，但是一方面由于鋁質(zhì)量較大且價(jià)格不便宜，另一方面采用鋁制散熱器就必須使用隔離電源驅(qū)動(dòng)，從而增加燈具成本。因此，開(kāi)發(fā)新的散熱材料顯得十分必要。有不少學(xué)者[2-4]采用高導(dǎo)熱塑料散熱，雖然塑料的熱輻射能力強(qiáng)，但是導(dǎo)熱能力畢竟有限，因此散熱效果不佳。而塑包鋁結(jié)構(gòu)散熱器包含這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，散熱效果明顯。同時(shí)該結(jié)構(gòu)可以采用隔離電源，可進(jìn)一步降低燈具成本，因而具有廣泛的運(yùn)用前景。

采用有限元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[5-9]。本文基于有限元原理，使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)LED塑包鋁球泡燈的散熱進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)流體力學(xué)CFD仿真軟件進(jìn)行散熱模擬仿真得出最佳尺寸參數(shù)組合，使散熱效果更佳，延長(zhǎng)LED燈壽命。

1　理論與模型建立

1.1理論基礎(chǔ)

根據(jù)傳熱學(xué)原理，在三維直角坐標(biāo)系中，含有內(nèi)熱源的LED軌道射燈的溫度場(chǎng)滿足[10]

(1)

式中，λx，λy，λz分別為x,y,z方向上的熱導(dǎo)率；qv為內(nèi)熱源的發(fā)熱率；T為溫度；ρ為密度；cv比熱容。

將控制微分方程轉(zhuǎn)化為等效的積分形式

(2)

LED塑包鋁球泡燈可通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種方式散熱。分別根據(jù)傅立葉定理、牛頓冷卻方程和史蒂芬-玻爾茲曼定律可得以下三式

(3)

(4)

(5)

聯(lián)立式(1)～式(5)并進(jìn)行有限元離散可得：

(6)

有限元CFD仿真軟件通過(guò)求解(6)式，即可得知各個(gè)點(diǎn)的溫度。

1.2模型建立

以某公司的一款7W LED塑包鋁球泡燈為研究對(duì)象。運(yùn)用三維制圖SOILDWORKS軟件建立模型如圖1(a)所示，圖1(b)是(a)中散熱器部分的剖面視圖，其壁面由內(nèi)而外分別是導(dǎo)熱塑料、鋁、導(dǎo)熱塑料，圖中A、B、C、D、E分別表示塑料厚度、鋁厚度、散熱器高度、鋁底板厚度、底邊直徑。各個(gè)參數(shù)具體尺寸分別為：1mm、1mm、36mm、1mm、50mm。為了加快熱仿真效率，在不影響散熱的情況下，對(duì)模型一些微小尺寸做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，即底部基板螺紋孔簡(jiǎn)化為與之直徑相等的圓柱孔，燈頭部分簡(jiǎn)化為圓柱。

圖1　LED球泡燈模型及散熱器剖面Fig.1　LED bulb model and radiator section

2　模型熱仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1模型熱仿真

運(yùn)用文獻(xiàn)[12]所述方法進(jìn)行仿真。燈具各材料的熱導(dǎo)率見(jiàn)表1(表中Tc表示熱導(dǎo)率)，LED的光電轉(zhuǎn)化效率為20%，即有80%的輸入功率轉(zhuǎn)換為熱量，塑料的熱發(fā)射率設(shè)為0.9，環(huán)境溫度設(shè)為25℃，同時(shí)考慮到電源屬于外置電源，故在模擬仿真時(shí)不需要考慮其發(fā)熱量。熱仿真溫度分布云圖如圖2所示。由圖可知，基板最高溫度為96.05℃。

表1　LED塑包鋁球泡燈燈具材料和熱導(dǎo)率

圖2　LED塑包鋁球泡燈仿真溫度分布云圖Fig.2　Temperature distribution figure of LED bulb plastic-coated aluminum simulation

2.2實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型及模擬步驟的準(zhǔn)確性，采用YOKOGAWA公司旗下的MV2000，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3(a)所示，測(cè)試點(diǎn)如圖(b)所示。LED塑包鋁球泡燈實(shí)測(cè)最高溫度為94.90℃，和仿真所得溫度只差1.15℃，誤差為1.2%，表明可以采用上述簡(jiǎn)化模型做進(jìn)一步研究，與此同時(shí)驗(yàn)證了模擬步驟的正確性。

圖3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試點(diǎn)Fig.3　Experimental test platform and test points

3　正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1正交實(shí)驗(yàn)法

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素決定某種特性的設(shè)計(jì)方法。該方法具有所需實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，數(shù)據(jù)均勻分散、齊整可比等優(yōu)點(diǎn)[13]。

將該方法引入到LED塑包鋁散熱器設(shè)計(jì)中，即通過(guò)優(yōu)化塑包鋁散熱器的尺寸，結(jié)構(gòu)及用料，綜合成本和散熱效果，從而找到最佳參數(shù)組合。此優(yōu)化具有以下兩方面的效果：1)散熱效果相同時(shí)，可減少散熱器的質(zhì)量； 2)保證散熱器質(zhì)量相等時(shí)，可降低LED溫度。

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

以上述的A、B、C、D、E為正交表中的關(guān)鍵因子，結(jié)合正交表L16(45)[14]可列出表2。以表中的數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型，在CFD中進(jìn)行熱仿真，可以得出在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下LED塑包鋁球泡燈的最高溫度和散熱器的質(zhì)量，分別填入表中T、W兩列。

表2　LED塑包鋁球泡燈正交實(shí)驗(yàn)安排表

注：①塑包鋁散熱器中ρ鋁=2.7g/cm3，ρ塑料=1.4g/cm3；②T為L(zhǎng)ED的最高溫度，W為塑包鋁散熱器的質(zhì)量。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)極差分析并結(jié)合表2數(shù)據(jù)，整理可得A、B、C、D、E五個(gè)參數(shù)對(duì)溫度及散熱器質(zhì)量的影響趨勢(shì)(如圖(4)～圖(8)所示)和各個(gè)參數(shù)的極差表(表3)。

圖4　塑料厚度和基板溫度及散熱器質(zhì)量關(guān)系Fig.4　Relationship between plastic thickness and substrate temperature and radiator quality

圖5　鋁厚度和基板溫度及散熱器質(zhì)量關(guān)系Fig.5　Relationship between aluminum thickness and substrate temperature and radiator quality

圖6　高度和基板溫度及散熱器質(zhì)量關(guān)系Fig.6　Relationship between height and substrate temperature and radiator quality

圖7　鋁底板厚度和基板溫度及散熱器質(zhì)量關(guān)系Fig.7　Relationship between aluminum plate thickness and substrate temperature and radiator quality

圖8　底邊直徑和基板溫度及散熱器質(zhì)量關(guān)系Fig.8　Relationship between bottom diameter and substrate temperature and radiator quality

表3　各個(gè)參數(shù)極差表

綜合圖4～圖8和正交試驗(yàn)的極差定理(極差值見(jiàn)表3)可以發(fā)現(xiàn)：不同參數(shù)對(duì)燈具基板溫度和散熱器質(zhì)量?jī)蓚€(gè)目標(biāo)的影響效果不一樣。塑料底邊直徑E對(duì)燈具溫度的影響最大，散熱器高度C影響次之，接下來(lái)分別是鋁底板厚度D，塑料厚度B，鋁厚度A影響最小；而對(duì)于散熱器質(zhì)量這個(gè)目標(biāo)而言，鋁厚度B影響最大，散熱器高度C影響最小，各參數(shù)的影響順序從大到小為B、E、D、A、C?？紤]到LED塑包鋁球泡燈散熱器質(zhì)量本身較小且其相對(duì)整燈質(zhì)量所占比例也較小，因此將燈具溫度作為主要目標(biāo)，塑包鋁散熱器質(zhì)量為次要目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果綜合考慮可知最佳參數(shù)組合為A2B1C2D3E4，即塑料厚度A為1mm，鋁厚度B為0.7mm，高度C為36mm，鋁底板厚度D為2mm，底邊直徑E為56mm。顯然這種參數(shù)組合不在原來(lái)的正交表內(nèi)，故以這些參數(shù)建立模型并按上述步驟進(jìn)行仿真，得到優(yōu)化后的LED塑包鋁球泡燈仿真溫度分布云圖(見(jiàn)圖9)和散熱器質(zhì)量見(jiàn)表4，為了便于比較表中列出了優(yōu)化前的數(shù)據(jù)。由表4可知，優(yōu)化后的LED最高溫度為88.85℃，比優(yōu)化前降低了7.2℃。

表4　模型優(yōu)化前后比較

圖9　優(yōu)化后LED塑包鋁球泡燈仿真溫度分布云圖Fig.9　Temperature distribution figure of optimized LED bulb plastic-coated aluminum simulation

4　結(jié)論

本文模擬一款LED塑包鋁球泡燈的散熱，通過(guò)實(shí)際測(cè)量溫度為94.90℃與模擬所得溫度96.05℃相近，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析了各個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)散熱和質(zhì)量的影響，綜合兩者考慮得出了最佳參數(shù)組合。通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化后，雖然散熱器質(zhì)量有了小幅度增加，但是LED的溫度由原來(lái)的96.05℃降為88.85℃，下降了7.2℃，散熱效果得到明顯改善。因此，本研究結(jié)果對(duì)將來(lái)LED塑包鋁散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，有一定的借鑒意義。

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Design and Experiment of LED Bulb Plastic-coated Aluminum Radiator

LIAO Xuan, GUO Zhenning, PAN Shifa, YAN Wenping, LI Jianpeng

(CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,FujianKeyLaboratoryofOpticalBeamTransmissionandTransformation,Xiamen361021,China)

In this paper, a LED plastic plated aluminum was thermal simulated by using finite element CFD. The correctness of the model and simulation steps was verified by comparing the actual measured temperature and the temperature simulation. Based on the verified model, the influence of different thickness of the plastic and aluminum and other key factors to heat dissipation and quality was analyzed by the orthogonal optimization design method. Finally, the best parameter combination was obtained through synthetically considering both. The results show that the optimized by orthogonal experiments, although radiator quality had certain increase, but the LED temperature from 96.05 °C to 88.85 °C, dropped by 7.2 °C, the cooling effect is greatly improved.

CFD; plastic plated aluminum; orthogonal experimental design; thermal dissipation

郭震寧，E-mail：znguo@hqu.edu.cn

福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2013I0004)、光傳輸與變換福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2014201)

TN312

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.015