LED筒燈散熱仿真及光源布局優(yōu)化研究

LED用于照明存在一個共性的應(yīng)用難題——散熱，目前的LED僅有20%～30%的光電轉(zhuǎn)換效率，其余的能量轉(zhuǎn)化為熱量。若燈具LED芯片中的熱量不能有效散發(fā)，會使LED芯片PN結(jié)溫度過高，導(dǎo)致發(fā)光效率降低、芯片發(fā)射光譜發(fā)生紅移、色溫質(zhì)量下降、熒光粉的轉(zhuǎn)換效率降低[1]，工作壽命下降甚至可使LED永久失效等問題[2]。當(dāng)前LED燈具散熱方案分為被動散熱和主動散熱，被動散熱方案如自然散熱、熱管技術(shù)、均溫板技術(shù)、回路熱管技術(shù)[3]；主動散熱如風(fēng)冷散熱、微通道熱沉散熱、半導(dǎo)體制冷散熱[4]等。這些散熱方案結(jié)構(gòu)相對較大，在道路照明如LED路燈、LED隧道燈等較大的燈具上可作為有效的方法，但LED筒燈由于其體積大小、外觀要求、工作環(huán)境的限制影響，更多的還是采用自然散熱。

　　LED筒燈采用LED作為光源，其結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)筒燈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。LED筒燈具備傳統(tǒng)筒燈的特點(diǎn)，同時兼有了LED的所有優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、低碳、長壽、顯色性好、響應(yīng)速度快等[5]。LED筒燈的設(shè)計(jì)更加的美觀輕巧，安裝時能達(dá)到保持建筑裝飾的整體統(tǒng)一與完美，不破壞燈具的設(shè)置，光源隱藏建筑裝飾內(nèi)部，光源不外露。LED筒燈通常采用COB、陣列大功率LED(1W以上)、陣列中小功率LED(0.5W及以下)等幾種光源形式，其中陣列中小功率LED光源的光學(xué)效果最好，人的視覺效果柔和、均勻，目前大部分LED筒燈都采用這種光源形式。

　　利用有限元CFD仿真軟件可以全面分析LED燈具的熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內(nèi)外的溫度場和流場等，適用于目前LED照明燈具散熱模擬仿真。白坤等[6]對一種3芯白光LED筒燈進(jìn)行有限元散熱模擬，分析了襯底、錫膏、銅箔、鋁基板等熱通道材料的橫向熱阻和縱向熱阻，并提出一種利用銅柱連接外部散熱器的快速熱通道優(yōu)化設(shè)計(jì)；馬湘君等[7]利用有限元方法分析計(jì)算了15WLED筒燈溫度場，進(jìn)一步分析了PCB導(dǎo)熱率、導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱率和芯片位置(相對于鰭片式散熱器)等對LED燈具散熱效果的影響。本文將從筒燈主要熱源處———LED光源的布局分析它對LED筒燈散熱的影響，采用散熱模擬仿真與實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于LED筒燈產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)中。

　　LED筒燈散熱建模及仿真

　　本次研究選用一款8寸25WLED筒燈作為主要研究對象，其實(shí)物如圖1所示，三維造型模型圖如圖2所示。

　圖1 LED筒燈實(shí)物圖

　圖2 LED筒燈三維模型

　　1.熱阻計(jì)算

　　熱阻(Rth)是指熱量在熱通道上遇到的阻力，公式定義為熱通道的溫差(ΔT)與熱通道上的耗散功率(P)之比[8]，見式(1)；也可通過材料導(dǎo)熱系數(shù)(K)來計(jì)算[9]，見式(2)。

　　(公式1)

　　(公式2)

　　式中L———表示熱通道路徑的長度；

　　A———表示熱通道有效橫截面積。

　　熱阻可分為導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻。當(dāng)熱量在同一物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時，遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻；產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來接觸良好的兩物體，直接接觸的實(shí)際面積只是交界面的一部分，其余部分都是縫隙，熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)不及一般的固體材料。表1列出部分常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　表1 常用散熱材料導(dǎo)熱系數(shù)

　　對于部分熱通道材料層因其厚度很小，在建模過程中可不體現(xiàn)出來，而采用等效面接觸熱阻替代，便于散熱建模CFD仿真分析。例如：

　　①采用回流焊工藝將LED光源焊接到鋁基板上，LED光源燈珠與鋁基板間設(shè)置接觸熱阻?；亓骱笇訛橹饕牧铣煞譃殄a(96%)，厚度一般為0.1～0.15mm，導(dǎo)熱系數(shù)為60W/(K·m)。

　?、谌鐖D3所示，鋁基板由導(dǎo)電層、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層構(gòu)成，導(dǎo)電層厚度微小、導(dǎo)熱率好，因此可忽略不計(jì)；主要熱阻由導(dǎo)熱絕緣層決定，導(dǎo)熱絕緣層厚度小、導(dǎo)熱率差，而金屬基層厚度大、導(dǎo)熱好，若二者按同一材料體設(shè)置，仿真結(jié)果將會出現(xiàn)較大偏差。

　圖3 鋁基板結(jié)構(gòu)示意圖

　　鋁基板絕緣層與回流焊錫層的熱阻進(jìn)行換算成一等效熱阻

　　，計(jì)算公式如下：

　　(公式3)

　　進(jìn)一步，

　　可用等效導(dǎo)熱系數(shù)

　　來表示，而

　　可按下式計(jì)算：

　　(公式4)

　　式中ri———各熱通道層材料導(dǎo)熱系數(shù)；

　　hi———各通道厚度。

　　文中燈具采用貝格斯鋁基板(絕緣層厚度0.076mm、導(dǎo)熱系數(shù)1W/(K·m))，則等效導(dǎo)熱系數(shù)r等效為2.88W/(K·m)厚度0.226mm。

　　3)鋁基板通過導(dǎo)熱硅脂或硅膠墊片與散熱器連接，此通道層設(shè)置成面接觸熱阻，厚度為0.5mm、導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(K·m)即可。

　　2.熱載荷

　　當(dāng)前照明用LED的光電轉(zhuǎn)換效率ηLED約30%，亦即70%左右的LED輸入功率PLED轉(zhuǎn)換成熱量，則LED發(fā)熱量QLED為

　　(公式5)

　　熱載荷計(jì)算是散熱仿真過程中的重要一環(huán)，LED燈具的熱載荷主要分布在兩個區(qū)域：光源LED和電源。25WLED筒燈熱載荷17.5W，熱源有兩種表現(xiàn)形式：體熱源和面熱源。兩種形式的熱源對于CFD散熱仿真分析差別并不是很大，如圖4所示。

　圖4 熱源載荷設(shè)置

　　3.材料表面熱輻射系數(shù)的設(shè)定

　　不同材料的熱輻射系數(shù)是不相同的，即使是同種材料不同表面處理工藝，其熱輻射系數(shù)也不盡相同[10]，因此在CFD散熱仿真時，必須明確材料及其表面處理情況。圖5給出的是同一燈具，不同散熱器表面輻射系數(shù)(旋壓鋁AL10600.65；AL10600.85)的散熱仿真結(jié)果比較。觀察圖5中散熱器多點(diǎn)仿真溫度值和最高溫度值可以發(fā)現(xiàn)，輻射系數(shù)的差異最終會影響到整個LED燈具溫度場分布情況。

　圖5 輻射系數(shù)實(shí)驗(yàn)

　　散熱模擬仿真建模

　　1.實(shí)驗(yàn)室測試

　　本次實(shí)驗(yàn)選用25WLED筒燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測量，實(shí)驗(yàn)室測量設(shè)備采用8通道測溫儀TP700，搭建的LED燈具實(shí)驗(yàn)室溫度測量平臺如圖6所示，測量環(huán)境為無人走動恒溫密閉實(shí)驗(yàn)房間。測量點(diǎn)位置如圖7所示，并與25W散熱模擬仿真結(jié)果(如圖8所示)進(jìn)行比較，從表2中可知，仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，與實(shí)驗(yàn)室測量誤差在3℃以內(nèi)。因此，本次的仿真數(shù)據(jù)得到的理論溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度數(shù)據(jù)較為接近，可作為參考作用。

圖6 實(shí)驗(yàn)室測量平臺

圖725W筒燈光源板溫度測量點(diǎn)位置

圖825W筒燈仿真分析結(jié)果

　　2.現(xiàn)有25WLED筒燈光源板熱仿真分析

　　25W8寸LED筒燈采用60顆5630LED布置的光源方案，燈具所使用的材料及其導(dǎo)熱系數(shù)見表2。

　表2 25WLED筒燈燈具材料及其導(dǎo)熱系數(shù)

　環(huán)境溫度設(shè)置為26.7°C，仿真結(jié)果如圖8所示。

　　3.實(shí)驗(yàn)室測量與仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　從表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，測量點(diǎn)②～⑥實(shí)測溫度與仿真溫度比較接近(基本在2%誤差范圍內(nèi))，仿真實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確可信，后續(xù)將采用同樣的參數(shù)和邊界條件進(jìn)行優(yōu)化仿真分析實(shí)驗(yàn)。對比分析測量點(diǎn)①的實(shí)測溫度高于仿真溫度約5℃，經(jīng)過分析，這是由于在樣品制造生產(chǎn)過程中其工藝、裝配以及后續(xù)的測量影響因素造成的，但可以分析出測量點(diǎn)①所處的最內(nèi)環(huán)LED溫度明顯高于最外環(huán)。所以，以這一光源板布局來看，雖然其LED工作溫度還處于比較理想的范圍內(nèi)，但造成整個光源板的LED工作溫度不均，最終會導(dǎo)致最內(nèi)環(huán)LED壽命最短，影響光源板整體壽命。因此，綜合實(shí)驗(yàn)測量及仿真結(jié)果，將對光源板布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光源板整體LED工作溫度降低，提高光源板整體壽命。

　　表3 實(shí)驗(yàn)室測量與仿真溫度對比(室溫26.7℃)

　　光源布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　光源布局優(yōu)化要兼顧到散熱、電學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)和生產(chǎn)工藝等多個方面。由于受光源鋁基板尺寸限制，若仍然采用4環(huán)，光源布局并無多大可優(yōu)化空間。因此，本次光源布局優(yōu)化將從原先4環(huán)LED布局，調(diào)整為3環(huán)LED布局。根據(jù)功率設(shè)置、光源板設(shè)計(jì)空間和光學(xué)要求，調(diào)整LED數(shù)量及LED排布間距，通過熱仿真軟件分析，確定最佳布局方案。