LED球泡燈的煙囪效應散熱設計與實驗

唐　帆， 郭震寧,*， 林介本， 廖　炫， 潘詩發(fā)

(1. 華僑大學信息科學與工程學院 福建省光傳輸與變換重點實驗室， 福建 廈門　361021；2. 福建泉州世光智能照明技術研究院有限公司， 福建 泉州　362302)

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LED球泡燈的煙囪效應散熱設計與實驗

唐帆1， 郭震寧1,2*， 林介本2， 廖炫1， 潘詩發(fā)1

(1. 華僑大學信息科學與工程學院 福建省光傳輸與變換重點實驗室， 福建 廈門361021；2. 福建泉州世光智能照明技術研究院有限公司， 福建 泉州362302)

為了增強LED燈具的散熱能力，根據(jù)煙囪效應原理，設計了一種LED球泡燈，其具有特殊的直筒式煙囪結(jié)構(gòu)。利用Solidworks建立三維模型，通過其插件Flow Simulation進行熱仿真，并以煙囪高度30 mm、煙囪數(shù)量6、通風口長度2 mm的參數(shù)為基礎模型。通過實驗驗證，測出該模型的最高溫度為69 ℃，與仿真所得出的結(jié)果僅相差1.66 ℃，證實了仿真步驟的正確性。以此為基礎，對不同煙囪高度和數(shù)量、通風口大小對LED芯片最高溫度的影響進行研究。研究表明：煙囪效應明顯增強了燈具的對流散熱性能。在煙囪高度為45 mm、煙囪數(shù)量為12、通風口長度為3.5 mm時，LED芯片的最高溫度為61.04 ℃，比優(yōu)化前下降了9.62 ℃。在模型參數(shù)相同的條件下，最高溫度比不加煙囪結(jié)構(gòu)的LED球泡燈下降了1.9 ℃，且散熱器重量下降了2.55 g。在自然對流條件下，所設計的LED球泡燈能很好地滿足LED芯片工作要求。

直筒式； LED球泡燈； 煙囪效應； 最高溫度

1　引　　言

大功率白光LED作為第四代光源，具有能耗低、響應速度快、體積小、壽命長等優(yōu)點。但現(xiàn)在LED的發(fā)光效率只能達到10%～20%，其余的能量則轉(zhuǎn)化成熱能。隨著LED燈具的功率越來越大，若熱量不能及時散出，則會導致LED芯片的結(jié)溫升高，從而降低發(fā)光效率并使其壽命縮短[1]。因此，散熱是制約LED發(fā)展的一個重要因素[2]。

散熱器的設計優(yōu)劣對提高LED燈具散熱能力起著決定性的作用[3]。目前大多數(shù)對散熱器的研究，都是通過增加散熱器與空氣接觸的表面積或者改善散熱器結(jié)構(gòu)來增加對流傳熱系數(shù)，從而提高散熱器的散熱能力。如王芳等[4]設計了一種添加翅片的泡沫金屬散熱器，有效地增加了散熱器與空氣的熱交換面積。梁融等[5]提出了一種斷開開縫式肋片的結(jié)構(gòu)，可以提高散熱器的對流傳熱系數(shù)。但是，添加翅片意味著原材料增加，改善結(jié)構(gòu)也會使加工更困難，這與降低照明成本的理念相悖。研究表明，在LED燈具散熱設計中添加煙囪結(jié)構(gòu)，可以在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生煙囪效應[6]，能有效地強化自然對流，提高散熱能力。如陳伯仁等[7]結(jié)合煙囪效應原理開發(fā)出蜂巢式散熱鰭片，但是，散熱器特殊的蜂巢結(jié)構(gòu)加工困難，不利于大量生產(chǎn)。

本文基于煙囪效應原理，利用Solidworks構(gòu)建LED球泡燈的三維模型，通過Flow Simulation軟件對所構(gòu)建的模型進行散熱模擬仿真。在燈具結(jié)構(gòu)設計中引入了煙囪結(jié)構(gòu)，設計了一種特殊的直筒式煙囪結(jié)構(gòu)的LED球泡燈散熱器。這種特殊的直筒式煙囪結(jié)構(gòu)避免了普通煙囪結(jié)構(gòu)空氣在燈體內(nèi)流動產(chǎn)生渦流，從而降低空氣流通量的問題[8]，有效提高了LED球泡燈的對流散熱性能。該結(jié)構(gòu)具有散熱效果好、質(zhì)量輕、成本低、易于加工的優(yōu)點。

2　理論與模型建立

2.1理論基礎

LED球泡燈的總熱阻R為：

(1)

式中，Rjc為LED芯片熱阻，Rcs為基板和導熱膠熱阻，Rsa為散熱器熱阻。

由于風冷散熱器的輻射傳熱量很低，所以其輻射傳熱熱阻不予考慮，從而，散熱器熱阻Rsa為：

(2)

式中,Rj為散熱器自身導熱熱阻，Rk為散熱器與空氣的對流換熱熱阻。

根據(jù)熱阻計算公式：

(3)

式中，T為LED芯片最高溫度，T∞為環(huán)境溫度，P為芯片產(chǎn)熱功率。聯(lián)立式(1)～(3)可得：

(4)

LED工作時，芯片最高溫度應小于65 ℃,T∞由環(huán)境溫度決定。根據(jù)LED芯片功率，光電轉(zhuǎn)換效率取15%，可求得芯片產(chǎn)熱功率P,Rjc和Rcs由于各廠家生產(chǎn)工藝選材不同而存在差異，但可從廠家提供的產(chǎn)品手冊查出，為定值。Rj由散熱器自身結(jié)構(gòu)和材料決定，當結(jié)構(gòu)和材料確定時，Rj為定值。將上述各值代入公式(4)算出Rk。Rk和對流換熱系數(shù)及散熱器表面積有關：

(5)

式中h為對流換熱系數(shù)，S為散熱器表面積。

要使散熱器具有足夠的表面積S，則需要增加散熱器的重量。散熱器重量的增加，意味著成本的提高。根據(jù)式(5)，當Rk確定時，S與h成反比。而通過煙囪效應可以有效增強散熱器表面的空氣流動，從而增大h，減小S，達到降低生產(chǎn)成本的目的。

散熱器性能的評價不僅要考慮其熱工性能，還要考慮其經(jīng)濟性[9]。熱工性能的高低體現(xiàn)在散熱量的多少，也就是器件最高溫度的大小。經(jīng)濟性則體現(xiàn)在散熱器單位重量的散熱量，也就是重量的大小。LED球泡燈的熱功率P一定時，其散熱性能越好，則在保證最高溫度相同的條件下，所需的散熱器重量越輕。同樣，在散熱器重量相同時，散熱性能越好的LED球泡燈，其最高溫度越低。為了衡量所設計LED球泡燈散熱性能的優(yōu)劣，可采用散熱性能因數(shù)Q[10]：

(6)

式中，ΔT為溫差(LED球泡燈最高溫度與環(huán)境溫度之差)，M為散熱器重量，P為熱功率。

由此可得，對于熱功率P為一定值的LED球泡燈，散熱性能因數(shù)Q與溫差和散熱器重量成正比。Q值越小，LED球泡燈的散熱性能越好。

2.2模型建立

本文設計了一款基于煙囪效應的LED球泡燈，由散熱器、LED光源、基板、光學燈罩和燈頭組成。其燈頭為E27標準燈頭。散熱器分為兩段，其中第一段為煙囪通道，高為Hmm，在第一段上端開有寬為6 mm、長為Lmm的6個呈圓周陣列的長方形通風口；第二段的高度為定值。散熱器內(nèi)殼和外殼之間由筋連接，筋將內(nèi)殼和外殼之間的空間劃分為獨立的直筒式煙囪通道。LED球泡燈的結(jié)構(gòu)和各部分尺寸如圖1所示。

圖1LED球泡燈示意圖。(a)燈的結(jié)構(gòu)圖；(b)燈的剖視圖；(c)散熱器俯視圖。

Fig.1Schematic diagram of LED Bulb. (a) Structure. (b) Cutaway view. (c) Vertical view.

為了更加迅速地進行熱仿真，我們在構(gòu)建模型時簡化了一些對仿真結(jié)果影響不大的部分。LED光源設置為底面半徑為4 mm，高為2 mm的圓柱體；燈頭設置為底面半徑為13 mm，高為20 mm，厚度為1.8 mm的圓柱空殼；其高度H、通風口長度L為變量。LED光源工作時產(chǎn)生熱量，熱量傳遞到空氣中，使周圍空氣溫度升高密度減小，與煙囪通道上面的空氣產(chǎn)生密度差，得到向上的浮力，從而上升，并沿著煙囪通道從上面的通風口排出，產(chǎn)生的負壓又會使新的冷空氣繼續(xù)流入煙囪通道，形成煙囪效應，從而增大通風通道中的對流換熱系數(shù)，增強自然對流散熱，提高LED球泡燈的散熱能力。

本文以煙囪通道30 mm、煙囪數(shù)量6、通風口長度2 mm的LED球泡燈模型為基礎，進行深入的研究和優(yōu)化。在此參數(shù)下，經(jīng)軟件熱仿真得出的LED球泡燈芯片的最高溫度為70.66 ℃，散熱器重量為72.43 g，散熱性能因數(shù)Q=704.94 g·K·W-1。

3　實驗驗證

為驗證上述模型熱仿真結(jié)果的正確性，我們通過實物實驗測量LED球泡燈溫度，采用一臺HY80變頻器和兩個TM-902C溫度測試儀對LED球泡燈樣品進行溫度測試。所選樣品煙囪高度H=30 mm,煙囪數(shù)量為6，通風口L=2 mm，參數(shù)與基礎模型相同。實驗測試平臺如圖4(a)所示，溫度監(jiān)測點如圖4(b)所示。經(jīng)實驗測量驗證，LED球泡燈最高溫度為69 ℃，與模型熱仿真所得出的溫度僅相差1.66 ℃，誤差為2.3%，在允許范圍內(nèi)。實驗結(jié)果證實了模型仿真步驟的正確性。

圖2　實驗測試平臺(a)及溫度監(jiān)測點(b)

Fig.2Experimental test platform(a) and temperature test points(b)

4　熱仿真

我們利用軟件對所構(gòu)建的三維模型進行熱仿真。燈罩采用玻璃材質(zhì)，導熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)；基板采用鋁基板，橫向?qū)嵯禂?shù)為100 W/(m·K), 縱向?qū)嵯禂?shù)為2 W/(m·K)；散熱器采用ADC12壓鑄鋁材質(zhì)，導熱系數(shù)為96 W/(m·K)；燈頭采用SUS304不銹鋼材質(zhì)，導熱系數(shù)為8 W/(m·K)。

LED光源設置為體積熱源，發(fā)熱功率為5.2 W。模擬的環(huán)境溫度設置為20.05 ℃。電源為外置電源，故不考慮其發(fā)熱。初始網(wǎng)格精度設置為4，將球泡燈整體設置為精度為8的局部初始網(wǎng)格。

5　仿真結(jié)果和討論

5.1煙囪高度對散熱效果影響

首先，通過調(diào)整煙囪通道的高度H，來探究煙囪高度對散熱器散熱能力的影響。保持煙囪數(shù)量為6，通風口長度L=2 mm不變，煙囪高度H取30～55 mm，利用軟件模擬出了不同煙囪高度下LED球泡燈芯片最高溫度的變化。6種煙囪高度的模擬計算結(jié)果如圖3所示。

圖3　最高溫度和Q隨H的變化

Fig.3Relationship between the highest temperature，QandH.

如圖3所示，當煙囪通道高度H變化范圍為30～45 mm時，隨著H的增加，LED球泡燈芯片最高溫度呈快速下降趨勢；當煙囪高度繼續(xù)增加時，最高溫度下降趨勢變得緩慢。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：煙囪高度H在45 mm以下時，煙囪效應隨著高度的增加而增強，從而LED球泡燈的散熱能力不斷增強，使LED芯片的最高溫度降低；當煙囪高度超過45 mm時，空氣會在煙囪通道內(nèi)產(chǎn)生回流現(xiàn)象[11]，導致熱量在煙囪通道內(nèi)滯留，不能及時排出，也影響了新的冷空氣繼續(xù)進入煙囪通道，不能形成快速、暢通的自然對流，反而減弱了煙囪效應的強度，影響了散熱效果。從圖3還可以看出，在H變化范圍為30～45 mm時，散熱性能因數(shù)Q呈直線增加趨勢。當H從45 mm增加到55 mm時，Q上升趨勢加快。Q越大則散熱器的散熱性能越差，說明雖然通過增加H可以降低LED球泡燈芯片的最高溫度，但同時會為了構(gòu)建模型引入更多的無用重量。當H由45 mm增加到55 mm時，散熱器重量從117.42 g增加到147.76 g，增加了近26%，但LED芯片的最高溫度只下降了0.57 ℃。這說明，雖然H的增加使用于散熱的散熱器重量增大，也使散熱器與空氣接觸的換熱面積增大，但由于H高度的過高使煙囪效應減弱，反而使LED芯片的最高溫度下降不明顯。在實際應用中，煙囪通道高度的增加也會使耗材和重量增加，安全性降低，材料造價和運輸成本大大提高。因此，為了使LED芯片最高溫度盡可能低，同時又使散熱器重量盡可能小，我們?nèi)=45 mm。此時，LED芯片的最高溫度為62.59 ℃，散熱器的重量為117.42 g，Q=960.59 g·K·W-1。

5.2通風口大小對散熱效果的影響

我們在5.1節(jié)的研究前提下，進一步對煙囪通道的通風口大小進行優(yōu)化。以煙囪通道高度H=45 mm，煙囪數(shù)量為6，散熱器的重量為117.42 g為基礎，通過改變通風口長度L來調(diào)整通風口大小。經(jīng)模擬仿真計算，得到了L在0～3.5 mm變化范圍下，相應的LED芯片的最高溫度及散熱器性能因數(shù)Q值，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　最高溫度和Q隨L的變化

Fig.4Relationship between the highest temperature，QandL.

由圖4可以得出，在L從0 mm增加到1.5 mm的過程中，LED芯片的最高溫度由62.94 ℃降低到62.82 ℃，僅降低了0.12 ℃。當L從1.5 mm繼續(xù)增加到3.5 mm時，LED芯片的最高溫度急速下降，每隔0.5 mm依次下降了0.23，0.23，0.27，0.29 ℃。分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，當L在0～1.5 mm范圍時，通風口仍很小，由于煙囪通道的邊界阻力作用[12]，通道內(nèi)空氣流動不明顯，不足以引入足夠空氣來通過對流傳熱降低散熱器溫度，煙囪效應不明顯。當L在1.5～3.5 mm范圍時，空氣流量的增大，提高了煙囪通道表面的對流換熱系數(shù)，同時也增大了其散熱表面積。根據(jù)牛頓冷卻定律：

(7)

式中，φ為熱功率，λ為物體表面的對流換熱系數(shù)，S為物體散熱表面積，ΔT為物體表面溫度與環(huán)境溫度差值。

可以看出，對流換熱系數(shù)的增加，可以增加對流傳熱帶走的熱量，從而使LED芯片的最高溫度降低。從圖4還可以看出，隨著L的增加，Q的下降趨勢逐漸加快。Q越小則散熱器的散熱性能越好，可見在一定范圍下，隨著通風口的增大，散熱器的散熱性能不斷提高。為了使LED芯片的最高溫度盡可能低，我們?nèi)=3.5 mm，此時LED球泡燈芯片的最高溫度為61.80 ℃，散熱器重量為116.82 g，Q=937.93 g·K·W-1。

5.3煙囪數(shù)量對散熱效果的影響

根據(jù)5.1、5.2節(jié)的研究，我們以煙囪通道高度H=45 mm、通風口長度L=3.5 mm、散熱器重量為116.82 g為基礎，進一步研究煙囪數(shù)量對散熱器散熱性能的影響。分別取煙囪數(shù)量為0，4，6，12，經(jīng)模擬仿真計算，得到了相應的LED芯片的最高溫度及散熱器性能因數(shù)Q值，其結(jié)果如圖5所示。

圖5　最高溫度和Q隨煙囪數(shù)量的變化

Fig.5Relationship between the highest temperature，Qand vent number.

從圖5可以看出，隨著煙囪數(shù)量的增加，LED芯片最高溫度和Q不斷減小。在煙囪數(shù)量為0，即散熱器結(jié)構(gòu)中沒有煙囪效應時，LED芯片的最高溫度為62.94 ℃。當煙囪數(shù)量增加到12時，LED芯片最高溫度降低到61.04 ℃，下降了1.9 ℃。此時，散熱器的重量為115.54 g，Q=910.77 g·K·W-1。

由上述研究可知，當煙囪高度H=45 mm、煙囪數(shù)量為12、通風口長度L=3.5 mm、散熱器重量為115.54 g時，散熱器性能因數(shù)Q=910.77 g·K·W-1，LED球泡燈的散熱性能最好。經(jīng)計算，所設計散熱器的單位質(zhì)量散熱功率為52.9 W/kg。而在工作環(huán)境溫度和LED最高溫度相近的條件下，文獻[13]所設計的散熱器單位重量散熱功率僅為38.7 W/kg。

經(jīng)優(yōu)化后，LED球泡燈附近的空氣速度流動跡線分布如圖6所示，其溫度場分布如圖7所示。

圖6　空氣速度流動跡線分布

圖7　溫度場分布圖

如圖6所示，由于LED熱源工作產(chǎn)生熱量，使周圍的空氣溫度升高，產(chǎn)生溫度差，進而提供空氣上升的浮力，空氣進入煙囪通道并順著通道向上排出，帶走熱量，提高散熱器的散熱性能。由圖7可見，LED球泡燈工作時的最高溫度出現(xiàn)在LED芯片處，熱量從LED芯片傳導到鋁基板上，并向上繼續(xù)傳遞給散熱器，再由散熱器傳遞到空氣中。

5.4不同熱功率煙囪效應作用

以上述研究為基礎，我們研究了不同熱功率條件下，有無煙囪結(jié)構(gòu)的模型的LED芯片最高溫度差，其結(jié)果如表1所示。

表1不同熱功率時有無煙囪結(jié)構(gòu)最高溫度對比

Tab.1Comparison of the highest temperature of the exist of chimney with different heat powers

℃

從表1可以看出，隨著熱功率的增加，溫度差值逐漸增大。LED芯片最高溫度在加入煙囪結(jié)構(gòu)后明顯降低。在熱功率達到12 W時，溫度差達到4.41 ℃。

6　結(jié)　　論

基于煙囪效應，設計了一種特殊的直筒式煙囪結(jié)構(gòu)的LED球泡燈。實物實驗證實了模型仿真步驟的正確性。對煙囪高度、通風口大小、煙囪數(shù)量先后進行了優(yōu)化，得到的最佳參數(shù)設計為：H=45 mm，煙囪數(shù)量為12，通風口長度L=3.5 mm。此時，LED芯片的最高溫度為61.04 ℃，散熱器重量為115.54 g。并且隨著熱功率的增大，煙囪效應加強散熱器對流散熱的能力越來越強。所以，通過引入煙囪結(jié)構(gòu)，可以有效提高LED球泡燈的散熱性能。

[1] LIN Y C, TRAN N, ZHOU Y,etal.. Materials challenges and solutions for the packaging of high power LEDs [C].ProceedingsofInternationalMicrosystems,Packaging,AssemblyConferenceTaiwan,Taipei,China, 2006:1-4.

[2] ARIK M, PETROSKI J, WEAVER S. Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications: light emitting diodes [C].ProceedingsofThe8thIntersocietyConferenceonThermalandThermomechanicalPhenomenainElectronicSystems,SanDiego,USA, 2002:113-120.

[3] 李菊華. LED燈具熱設計與仿真 [D]. 杭州: 杭州電子科技大學, 2011.

LI J H.ThermalDesignandSimulationofLEDLamps[D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2011. (in Chinese)

[4] 王芳,張治民,呂猛,等. LED泡沫金屬散熱器的散熱性能研究[J]. 鑄造技術, 2014, 35(1):35-37.

WANG F, ZHANG Z M, LV M,etal.. Heat dissipation performance of foam metal radiator used in LED [J].FoundryTechnol., 2014, 35(1):35-37. (in Chinese)

[5] 梁融,聶宇宏,聶德云,等. LED散熱器散熱特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J]. 照明工程學報, 2014, 25(1):94-97.

LIANG R, NIE Y H, NIE D Y,etal.. Thermal analysis and structure optimization of LED radiator [J].ChinaIlluminat.Eng.J., 2014, 25(1):94-97. (in Chinese)

[6] 朱鵬. 基于煙囪效應對大功率LED燈的強化散熱 [D]. 大連: 大連理工大學, 2014:20-24.

ZHU P.TheEnhancementofHeatDissipationofHighPowerLEDLampwithChimneyEffect[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014:20-24. (in Chinese)

[7] 陳柏仁,馬小康,藍浩瑋,等. 蜂巢式散熱鰭片應用于高功率LED散熱的研究 [J]. 太原理工大學學報, 2010, 41(5):554-563.

CHEN B R, MA X K, LAN H W,etal.. Study of an LED device with a honeycomb heat sink [J].J.TaiyuanUniv.Technol., 2010, 41(5):554-563. (in English)

[8] 陳啟勇,何川,高園園. 大功率LED路燈散熱器自然對流的數(shù)值研究 [J]. 半導體光電, 2011, 32(4):498-501.

CHEN Q Y, HE C, GAO Y Y. Numerical study on natural convection of high-power LED street lamp heat sink [J].Semicond.Optoelectron., 2011, 32(4):498-501. (in Chinese)

[9] 李鷗. 工業(yè)廠區(qū)散熱器的合理評價和選用 [J]. 大科技, 2015(10):248.

LI O. Reasonable evaluation and seledction of radiator for industrial plant [J].SuperSci., 2015(10):248. (in Chinese)

[10] 張國旺,韓彥軍,羅毅,等. 基于煙囪效應的集成封裝半導體照明光源散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 [J]. 半導體光電, 2013, 34(5):732-737.

ZHANG G W, HAN Y J, LUO Y,etal.. Optimization of heat sink design based on chimney effect for integrated packaging semiconductor lighting source [J].Semicond.Optoelectron., 2013, 34(5):732-737. (in Chinese)

[11] 李靜,姬升濤,劉建勇,等. 電子元件散熱裝置的煙囪效應分析 [J]. 電子與封裝, 2011, 11(6):36-40.

LI J, JI S T, LIU J Y,etal.. Analysis on the stack effect of cooling device of electronic components [J].Electron.Packag., 2011, 11(6):36-40. (in Chinese)

[12] 李本紅,劉海林. 煙囪效應在大功率LED燈具散熱器設計中的影響分析 [J]. 電子器件, 2014, 37(2):221-224.

LI B H, LIU H L. Analysis of the chimney effect in thermal design of high-power LED lamps radiator [J].Chin.J.ElectronDev., 2014, 37(2):221-224. (in Chinese)

[13] 何凡,陳清華,劉娟芳,等. 集成芯片LED場地照明燈新型疊片散熱器熱分析 [J]. 發(fā)光學報, 2014, 35(6):742-747.

HE F, CHEN Q H, LIU J F,etal.. Thermal analysis of high mast integrated LED lamp with new heatsink structure of laminated pure aluminum plate [J].Chin.J.Lumin., 2014, 35(6):742-747. (in Chinese)

唐帆(1990-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，2010年于寶雞文理學院獲得學士學位，主要從事LED散熱設計方面的研究。

E-mail: 304462588@qq.com.cn郭震寧(1958-)，男，福建莆田人，博士，教授，2001年于天津大學獲得博士學位，主要從事半導體發(fā)光器件及LED光學設計和散熱設計方面的研究。

E-mail: znguo@hqu.edu.cn

Thermal Design and Experiment of LED Bulb Using Chimney Effect

TANG Fan1, GUO Zhen-ning1,2*, LIN Jie-ben2, LIAO Xuan1, PAN Shi-fa1

(1.CollegofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,KeyLaboratoryofLightPropagationandTransformationofFujianProvince,Xiamen361021,China; 2.FujianQuanzhouSIGOLEDLightingTechnologyCo.,Ltd.,Quanzhou362302,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:znguo@hqu.edu.cn

In order to enhance the cooling capacity of LED lamps and lanterns, we design a special LED bulb with straight chimney structure based on the principle of the chimney effect. We build a three-dimensional model by adopting Solidworks, and use its plug called Flow Simulation to simulate based on the model with the chimney height of 30 mm, chimney number of 6, and vent length of 2 mm. Through experiments, we find the highest temperature of this model is 69 ℃, lower than the simulation result only 1.66 ℃. It confirms the correctness of the simulation steps. Then, we study the influences of different chimney height, chimney number, and vent length on the highest temperature of LED bulb, respectively. The results show that the chimney effect can effectively improve the convection cooling performance of the LED bulb. When the chimney height is 45 mm, chimney number is 12, and vent length is 3.5 mm, the highest temperature of the LED chip is 61.04 ℃, which is 9.62 ℃ lower compared to the original model. Under the same set of model parameters, the highest temperature of the LED bulb has been reduced by 6.16 ℃ compared to the one in the model without a chimney structure, and the weight of radiator has also reduced 2.55 g. In conclusion, the designed LED bulb can better satisfy the working requirements under the nature convection conditions.

straight type; LED bulb; chimney effect; highest temperature

2016-02-18；

2016-03-16

福建省科技計劃引導性重點項目(2016H0022)； 泉州市科技計劃(2015TZ31); 華僑大學研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃(1400201001)資助項目

1000-7032(2016)05-0624-07

TN312

A

10.3788/fgxb20163705.0624