唐 帆, 王 丹, 郭震寧*, 林介本
(1. 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 361021;2. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 廈門 361021)
LED異形燈的散熱設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)
唐 帆1, 王 丹2, 郭震寧1*, 林介本1
(1. 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 361021;2. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 廈門 361021)
為了提高LED燈具的散熱能力,基于煙囪效應(yīng)原理,設(shè)計(jì)了一種新型的LED燈具散熱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)僅采用一塊圓柱狀基板,不需要散熱器,突破了傳統(tǒng)LED燈具的構(gòu)造模式。運(yùn)用軟件Solidworks構(gòu)建三維模型,用其插件Flow Simulation進(jìn)行熱仿真。當(dāng)功率為10 W時(shí), LED芯片最高溫度為81.34 ℃。當(dāng)功率增加到15 W時(shí),最高溫度變?yōu)?05.54 ℃,高于芯片安全工作溫度85 ℃。因此,本文提出在基板中間加入散熱器的改進(jìn)方案,使LED芯片最高溫度下降了30.79 ℃。并以散熱器翅片數(shù)12個(gè)、內(nèi)環(huán)直徑20 mm、翅片厚度1 mm為基礎(chǔ)模型參數(shù),進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。研究表明:在翅片數(shù)為12個(gè)、內(nèi)環(huán)直徑為12 mm、翅片厚度為1 mm時(shí),LED異形燈的散熱效果最好,此時(shí),LED異形燈的最高溫度為72.21 ℃。當(dāng)功率為8,13,15,17,19 W時(shí),LED異形燈芯片的溫度都滿足LED工作的安全要求。經(jīng)過對8 W的LED異形燈樣品的實(shí)驗(yàn)測試,測得其最高溫度為53 ℃,與仿真結(jié)果僅相差1.01 ℃,證實(shí)了研究的準(zhǔn)確性。所設(shè)計(jì)的LED異形燈,為解決大功率LED散熱問題提供了一條新的途徑。
圓柱狀; LED異形燈; 煙囪效應(yīng); 最高溫度; 散熱; 無散熱器
白光LED憑借其響應(yīng)迅速、綠色環(huán)保、壽命長并且配光設(shè)計(jì)多樣性[1]等優(yōu)點(diǎn),成為第四代照明光源。由于目前半導(dǎo)體制造工藝的限制,LED的光電轉(zhuǎn)換效率僅能達(dá)到20%左右,另外80%的能量轉(zhuǎn)化為無用的熱能。如果這些熱量不能及時(shí)散去,將會(huì)導(dǎo)致LED的結(jié)溫升高,從而減短LED的壽命[2]。因此,探索更好的散熱方式成為LED研究的熱點(diǎn)[3]。
為了增強(qiáng)LED燈具的散熱能力,國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量研究。趙新杰等[4]參照大功率LED汽車前照燈的性能和結(jié)構(gòu)要求,提出了基于熱電制冷效應(yīng)的散熱方法,并實(shí)驗(yàn)研究了不同類型的散熱系統(tǒng)的散熱性能。周馳等[5]提出了一種整體式熱管散熱器,對不同的充液率、產(chǎn)熱功率、傾角進(jìn)行了散熱自然對流實(shí)驗(yàn)研究和分析,認(rèn)為整體式熱管散熱器相比于常見的太陽花翅片和平行板散熱器,可以更有效地控制芯片結(jié)溫。Luo等[6]提出了一種LED微噴射流冷卻系統(tǒng),該系統(tǒng)換熱采用系列微噴,依靠沖擊射流的良好散熱效果,將LED工作時(shí)放出的熱量導(dǎo)入冷卻系統(tǒng)內(nèi),從而達(dá)到散熱目的。汪雙鳳等[7]對應(yīng)用于LED燈具散熱的平板熱管技術(shù)進(jìn)行了研究,應(yīng)用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,探討了兩種熱源布置方式(集中式布置與分散式布置)的影響。研究表明,利用煙囪效應(yīng)[8],將煙囪結(jié)構(gòu)加入到LED燈具設(shè)計(jì)中,可以增快燈具附近的空氣流動(dòng)速度,加強(qiáng)散熱能力。
基于煙囪效應(yīng)原理,本文設(shè)計(jì)了一種LED異形燈。通過3D建模軟件Solidworks構(gòu)建模型,用其插件Flow Simulation進(jìn)行散熱模擬仿真。所設(shè)計(jì)的異形燈具有一種特殊的直筒式的煙囪結(jié)構(gòu),可以有效避免空氣在普通煙囪結(jié)構(gòu)的燈體中形成渦流,降低空氣進(jìn)出煙囪通道的流量[9],可以滿足小功率LED燈具的安全工作要求,而且沒有散熱器,大大降低了生產(chǎn)成本及生產(chǎn)時(shí)間。為了滿足更大功率LED燈具的工作要求,本文又在基板中間的空心部分加入散熱器以加強(qiáng)煙囪效應(yīng)強(qiáng)度,提高自然對流換熱效果。這種新式的LED異形燈具,突破了傳統(tǒng)LED燈具圓板狀的基板構(gòu)造,增強(qiáng)了LED燈具的散熱效果。
2.1 理論基礎(chǔ)
LED異形燈的總熱阻R[10]為:
(1)
式中,Rsa為散熱器熱阻,Rcs為導(dǎo)熱硅膠和基板熱阻,Rjc為LED芯片熱阻。
因?yàn)轱L(fēng)冷散熱器通過輻射傳散出的熱量很少,故其輻射傳熱熱阻忽略不計(jì),從而得出Rsa為:
(2)
式中,Rj為散熱器自身導(dǎo)熱熱阻,Rk散熱器和空氣間的對流換熱熱阻。
熱阻計(jì)算公式為:
(3)
式中P為芯片熱功率,T∞為環(huán)境溫度,T為LED芯片工作時(shí)的最高溫度。
聯(lián)立式(1)~(3)可得:
(4)
式中,T∞由工作環(huán)境決定;P由芯片工作功率和其光電轉(zhuǎn)換效率決定;Rjc和Rcs根據(jù)材料選擇和加工方法的不同存在差異,但可在廠家的產(chǎn)品手冊查出,為定值。當(dāng)散熱器自身材料和結(jié)構(gòu)確定時(shí),Rj為定值。將上述各值代入到公式(4)可算出Rk。Rk和散熱器表面積及對流傳熱系數(shù)有關(guān):
(5)
式中h為對流傳熱系數(shù),S為散熱器表面積。
從式(5)可以看出,當(dāng)Rk確定時(shí),S與h成反比,而煙囪效應(yīng)可以加快空氣在散熱器表面的流動(dòng),使h增大,從而減小了S。散熱器表面積S的減小意味著所需散熱器的重量變小,散熱器重量變小則耗材減少,從而成本得到降低。
2.2 模型建立
本文所設(shè)計(jì)的LED異形燈,由光學(xué)燈罩、LED光源、基板、散熱器和燈頭組成。其燈頭為E27標(biāo)準(zhǔn)燈頭,電源放置在燈頭內(nèi)。將基板設(shè)置為特殊的空心圓柱形,散熱器在基板中,散熱器的特殊結(jié)構(gòu)形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的直筒狀煙囪通道。LED光源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量由芯片傳遞到基板,再經(jīng)過散熱器傳遞到附近空氣中??諝馕諢崃?,溫度上升,密度下降,與上方空氣形成密度差,從而產(chǎn)生浮力,帶著熱量從上方排出煙囪通道,產(chǎn)生的負(fù)壓又會(huì)使新的冷空氣從下方進(jìn)入通道內(nèi),如此周而復(fù)始,形成煙囪效應(yīng),提高自然對流換熱強(qiáng)度。LED異形燈的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 (a) LED異形燈示意圖;(b)熱仿真簡化圖。
Fig.1 (a) Schematic diagram of special-shaped LED lamp. (b) Simplified thermal simulation.
為使熱仿真更加快速,對模型中對仿真結(jié)果影響不大的部分進(jìn)行了簡化。將LED芯片設(shè)置為1 mm×1 mm×0.5 mm,在基板上呈4×10均勻陣列。因?yàn)闊纛^盒電源在異形燈主體外部,對熱仿真結(jié)果影響不大,所以將其省略。如圖1(b)所示,單位:mm。
將已建模型代入仿真軟件進(jìn)行仿真。燈罩采用玻璃,熱導(dǎo)率為0.2 W/(m·K)。散熱器采用擠壓鋁6061,熱導(dǎo)率為236 W/(m·K)?;宀捎娩X基板,橫向熱導(dǎo)率為100 W/(m·K),縱向熱導(dǎo)率為2 W/(m·K)。
設(shè)置LED芯片為體積熱源,輸入功率為10 W,發(fā)光效率取20%,則產(chǎn)熱功率為8 W。設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃,初始網(wǎng)格精度為4,設(shè)置異形燈整體為精度8的局部初始網(wǎng)格,仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 溫度分布云圖。(a)輸入功率10 W;(b)輸入功率15 W。
Fig.2 Temperature distribution cloud image. (a) Input power of 10 W. (b) Input power of 15 W.
從圖2可以看出,當(dāng)功率為10 W時(shí),LED芯片的最高溫度為81.34 ℃。當(dāng)功率為15 W時(shí),LED芯片的最高溫度為105.54 ℃。所以,當(dāng)功率小于等于10 W時(shí),本文所設(shè)計(jì)的這種特殊的散熱結(jié)構(gòu),在無散熱器的條件下,可以滿足LED的安全工作要求,即最高溫度小于85 ℃[11]。沒有散熱器,意味著大大降低了LED燈具的重量、生產(chǎn)運(yùn)輸成本和生產(chǎn)時(shí)間。為了使這種結(jié)構(gòu)能滿足更大功率的使用要求,本文提出了在圓柱狀基板中間加入散熱器的改進(jìn)方案,取輸入功率為15 W,散熱器內(nèi)環(huán)直徑D=20 mm,翅片厚L=1 mm,翅片數(shù)為10,重量為37.57 g,如圖3所示。
圖3 改進(jìn)方案。(a)LED異形燈;(b)散熱器截面圖;(c) 溫度分布云圖。
Fig.3 Improved scheme. (a) Special-shaped LED lamp. (b) Radiator section diagram. (c) Temperature distribution cloud image.
對比圖3(c)和圖2(b)可知:經(jīng)改進(jìn)后,LED異形燈的最高溫度為74.75 ℃,相比于改進(jìn)前降低了30.79 ℃。 增加散熱器使芯片產(chǎn)生的熱量通過基板傳遞到散熱器上,增加了散熱表面積,進(jìn)入通道的風(fēng)可以帶走更多的熱量,故散熱能力大大增強(qiáng)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)散熱效果,本文對散熱器內(nèi)環(huán)直徑D、翅片厚L和翅片數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。
4.1 翅片數(shù)對散熱效果影響
首先,保持D=20 mm,L=1 mm,來探究散熱器翅片數(shù)的變化對LED芯片最高溫度的影響。翅片數(shù)分別取6~18個(gè),7種翅片數(shù)的LED芯片最高溫度和散熱器重量分布如圖4所示。
圖4 最高溫度和散熱器重量M隨翅片數(shù)的變化
Fig.4 Relationship between the highest temperature andMand the number of fins
從圖4可以看出,當(dāng)翅片數(shù)的變化范圍為6~12個(gè)時(shí),隨著翅片數(shù)的增加,LED異形燈芯片的最高溫度呈近直線下降趨勢。當(dāng)翅片數(shù)繼續(xù)增加時(shí),芯片的最高溫度又快速上升。原因在于:當(dāng)翅片數(shù)在12以下時(shí),隨著翅片數(shù)的增加,散熱器參與同空氣換熱的面積增加,煙囪效應(yīng)提高散熱能力的效果增強(qiáng),從而溫度隨著翅片的增加迅速下降。當(dāng)翅片的數(shù)目增加到12個(gè)以上時(shí),散熱片與散熱片之間的距離變得過小,不利于空氣流動(dòng)[12],不能形成快速、暢通的自然對流,反而降低了對流傳熱系數(shù),減弱了煙囪效應(yīng)的強(qiáng)度,影響了散熱效果。根據(jù)牛頓冷卻定律:
(6)
式中,φ為產(chǎn)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??梢钥闯?,散熱器表面積和對流換熱系數(shù)的增加,可以使通過對流換熱帶走的熱量增加,從而降低LED芯片的最高溫度。這也說明,雖然翅片數(shù)的增加使散熱表面積提高,但由于降低了對流換熱系數(shù),反而對流換熱不能快速帶走熱量。從圖4還可以看出,在翅片數(shù)為12~18個(gè)時(shí),散熱器重量從40.12 g增加到47.78 g,增加了近34%,但LED芯片的最高溫度反而上升了4.19 ℃。在生產(chǎn)中,翅片數(shù)的增加也會(huì)使成本提高,加工變得復(fù)雜。因此,為了盡可能使LED芯片最高溫度變低,同時(shí)又保證散熱器重量盡可能小,應(yīng)該取翅片數(shù)為12個(gè)。此時(shí),LED芯片的最高溫度為73.82 ℃,散熱器的重量為40.12 g。
4.2 內(nèi)環(huán)直徑D對散熱效果的影響
在上述研究前提下,進(jìn)一步對散熱器的內(nèi)環(huán)直徑D進(jìn)行優(yōu)化。保持翅片數(shù)為12個(gè),L=1 mm,來探究散熱器內(nèi)環(huán)直徑D的變化對LED芯片最高溫度的影響。取D的變化范圍為4~28 mm,相應(yīng)的LED芯片的最高溫度和散熱器重量如圖5所示。
圖5 最高溫度和散熱器重量M隨內(nèi)環(huán)直徑D的變化
Fig.5 Relationship between the highest temperature andMandD
從圖5可以得出,在D從4 mm增加到12 mm的過程中,LED芯片的最高溫度由73.93 ℃降低到72.21 ℃,降低了1.72 ℃。當(dāng)D從12 mm繼續(xù)增加到28 mm時(shí),LED芯片的最高溫度反而上升,上升的速度先慢后快,依次上升了0.60,1.01,1.84 ,3.22 ℃。原因在于:煙囪通道的通風(fēng)口大小對煙囪效應(yīng)強(qiáng)度有著很重要的影響。當(dāng)通風(fēng)口很小時(shí),由于邊界阻力作用[13],煙囪通道內(nèi)的空氣流動(dòng)很緩慢,不能引入充足的空氣通過對流換熱帶走散熱器上的熱量,煙囪效應(yīng)不明顯。當(dāng)D在4~12 mm范圍時(shí),散熱器內(nèi)環(huán)所構(gòu)成的煙囪通道通風(fēng)口逐漸變大,四周由翅片分隔的各煙囪通道通風(fēng)口逐漸變小,慢慢使兩者的大小趨近于一個(gè)最佳值。當(dāng)D繼續(xù)增大時(shí),這個(gè)最佳值被打破,中間的煙囪的通風(fēng)口變得過大,而四周的煙囪的通風(fēng)口變得過小,通風(fēng)口過大[14]或過小都會(huì)降低空氣的流量,降低煙囪效應(yīng)的效果。
從圖5還可以看出,隨著D的增加,散熱器重量M不斷下降。為了盡可能使LED芯片的最高溫度變低,故取D=12 mm,此時(shí)LED球泡燈芯片的最高溫度為72.21 ℃,散熱器重量為42.90 g。
4.3 翅片厚度L對散熱效果的影響
以上述研究為基礎(chǔ),取翅片數(shù)為12個(gè),D=12 mm,對厚度L進(jìn)行優(yōu)化研究,變化范圍為0.5~2.5 mm ,相應(yīng)的LED芯片的最高溫度及散熱器重量M值如圖6所示。
圖6 最高溫度和散熱器重量M隨翅片厚度L的變化
Fig.6 Relationship between the highest temperature andMandL
從圖6可以看出,翅片厚度的增加會(huì)大大增加散熱器的重量,但卻降低了散熱效果。但由于翅片厚度過小會(huì)增加加工難度,使廢品率大大增加,故取L=1 mm,此時(shí)LED芯片的最高溫度為72.21 ℃,M=42.90 g。
4.4 不同功率時(shí)的LED異形燈最高溫度變化
以上述研究為基礎(chǔ),探究LED異形燈在不同功率下的LED芯片最高溫度的變化,結(jié)果如表1所示。
表1 不同功率時(shí)的LED異形燈最高溫度變化
從表1可以看出,隨著功率的提高,LED異形燈芯片的最高溫度不斷上升。當(dāng)功率為13,15,17,19 W時(shí),LED異形燈的最高溫度都低于芯片的安全結(jié)溫85 ℃,表明LED燈可以安全地工作。在工作條件相似的情況下,文獻(xiàn)[11]所設(shè)計(jì)的LED球泡燈在功率為12 W時(shí),芯片結(jié)溫為71.25 ℃;而本文所設(shè)計(jì)的LED異形燈在功率為13 W時(shí),芯片結(jié)溫僅為66.69 ℃,散熱效果大大增強(qiáng)。并且同現(xiàn)有LED燈具相比,本文所設(shè)計(jì)的LED異形燈具有全新的構(gòu)形方式,便于設(shè)計(jì)師對其進(jìn)行更為美觀的設(shè)計(jì)。
為證實(shí)以上研究的準(zhǔn)確性,我們對輸入功率為8 W、散熱器翅片數(shù)為12個(gè)、散熱器內(nèi)環(huán)直徑為12 mm、散熱器翅片厚度為0.5 mm的LED異形燈實(shí)物樣品的溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測。實(shí)物樣品由機(jī)械加工制得的鋁制散熱器、LED芯片及基板、光學(xué)燈罩組成,其中基板和散熱器中間涂覆導(dǎo)熱硅膠,LED異形燈測試樣品如圖7(a)所示。采用兩個(gè)TM-902C溫度測試儀和一臺(tái)兆信PS-3003D直流電源供應(yīng)器對樣品進(jìn)行溫度測量。選取LED芯片的正面中心位置和側(cè)面為溫度監(jiān)測點(diǎn),如圖7(b)所示。實(shí)驗(yàn)在封閉室內(nèi)進(jìn)行,用空調(diào)將室溫控制在20 ℃,然后將LED異形燈在額定工作電壓下不間斷點(diǎn)亮30 min后,測取其芯片溫度讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)及測試結(jié)果如圖7所示。檢測結(jié)果表明,LED異形燈的最高溫度為53 ℃,與仿真結(jié)果僅相差1.01 ℃,誤差為1.9%,在允許范圍內(nèi),證實(shí)了研究的準(zhǔn)確性。
圖7 (a)測試樣品;(b)溫度監(jiān)測點(diǎn);(c) 實(shí)物測試平臺(tái)及測試結(jié)果。
Fig.7 (a) Test sample. (b) Temperature monitoring point. (c) Experimental test platform and the result of test.
基于煙囪效應(yīng),本文設(shè)計(jì)了一種擁有特殊散熱結(jié)構(gòu)的LED異形燈。在沒有散熱器的條件下,可以滿足LED芯片輸入功率小于等于10 W時(shí)的安全工作要求,沒有散熱器意味著大大降低了LED燈具的重量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)間。為了滿足更大輸入功率的需求,本文又提出了在空心圓柱狀基板中間加入散熱器的改進(jìn)方案,使LED異形燈最高溫度下降了30.79 ℃。并先后對散熱器的翅片數(shù)、內(nèi)環(huán)直徑、翅片厚度、散熱器內(nèi)環(huán)厚度進(jìn)行了優(yōu)化,得到的最佳參數(shù)設(shè)計(jì)為:翅片數(shù)12個(gè),D=12 mm,L= 0.5 mm。此時(shí),LED異形燈的最高溫度為72.21 ℃,散熱器重量為42.90 g。當(dāng)LED異形燈工作環(huán)境的溫度為20 ℃,功率為8,13,15,17,19 W時(shí),其芯片的最高溫度都低于LED工作安全結(jié)溫85 ℃。經(jīng)過對8 W的LED異形燈樣品的實(shí)驗(yàn)測試,測得其最高溫度為53 ℃,與仿真結(jié)果僅相差1.01 ℃,證實(shí)了研究的準(zhǔn)確性。本文所設(shè)計(jì)的LED異形燈,突破了傳統(tǒng)LED燈具的構(gòu)造形式,散熱效果更好,為解決大功率LED散熱問題提供了新的途徑。
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唐帆(1990-),男,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,2010年于寶雞文理學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事LED散熱設(shè)計(jì)方面的研究。
E-mail: 304462588@qq.com
郭震寧(1958-),男,福建莆田人,博士,教授,2001年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事半導(dǎo)體發(fā)光器件及LED光學(xué)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)方面的研究。
E-mail: znguo@hqu.edu.cn
Thermal Design and Experiment for Special-shaped LED Lamp
TANG Fan1, WANG Dan2, GUO Zhen-ning1*, LIN Jie-ben1
(1.KeyLaboratoryofLightPropagationandTransformationofFujianProvince,CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China;2.CollegeofMechanicalandAutomation,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)
In order to improve the cooling capacity of LED lamps and lanterns, a new type of LED lamp radiating structure was designed based on the principle of the chimney effect. The new type of LED lamp without radiator only used a cylindrical substrate break through the traditional mode of construction of LED lamps. A three-dimensional model was built by adopting Solidworks, and its plug called Flow Simulation was used to simulate the model. The highest temperature of LED chip is 81.34 ℃ when the power is 10 W. The highest temperature changes to 105.54 ℃ at 15 W, higher than the security temperature of LED chip. Therefore, an improved scheme of joining the radiator in the middle of the substrate was put forward. Then, the maximum temperature of LED chip reduces by 30.79 ℃. Based on the model in which the number of fins is 12, the diameter of inner ring is 20 mm, the thickness of fins is 1 mm, the thermal simulation was carried on. The results show that the special-shaped LED lamp has the best cooling capacity when the number of fins is 12, the diameter of inner ring is 12 mm, and the thickness of the fins is 1 mm. At the moment, the highest temperature is 72.21 ℃. The temperature of LED lamp can all meet the security requirements when the power of the special-shaped LED lamp is 8, 13, 15, 17 and 19 W. The experiment results of 8 W LED lamp show that the highest temperature is 53 ℃, higher than the results of the simulation results only 1.01 ℃. It confirms the correctness of the simulation. In conclusion, the designed special-shaped LED lamps provide a new way to solve the heat dissipation problem of high power LED.
cylindrical; special-shaped LED lamp; chimney effect; highest temperature; radiating; without radiator
1000-7032(2017)03-0365-07
2016-09-14;
2016-11-11
福建省科技計(jì)劃引導(dǎo)性重點(diǎn)項(xiàng)目(2016H0022); 華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃(1400201001)資助項(xiàng)目 Supported by Key Project of Science and Technology Plan of Fujian Province (2016H0022); Graduate Research and Innovation Ability Cultivation Plan of Huaqiao University (1400201001)
TN312
A
10.3788/fgxb20173803.0365
*CorrespondingAuthor,E-mail:znguo@hqu.edu.cn