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(gè)共性的應用難題——散熱，目前的LED僅有20%～30%的光電轉換效率，其余的能量轉化為熱量。若燈具LED芯片中的熱量不能有效散發(fā)，會(huì )使LED芯片PN結溫度過(guò)高，導致發(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、熒光粉的轉換效率降低[1]，工作壽命下降甚至可使LED永久失效等問(wèn)題[2]。當前LED燈具散熱方案分為被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱，被動(dòng)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(dòng)散熱如風(fēng)冷散熱、微通道熱沉散熱、半導體制冷散熱[4]等。這些散熱方案結構相對較大，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(guān)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，其結構是在傳統筒燈結構基礎上進(jìn)行改進(jìn)。LED筒燈具備傳統筒燈的特點(diǎn)，同時(shí)兼有了LED的所有優(yōu)點(diǎn)：節能、低碳、長(cháng)壽、顯色性好、響應速度快等[5]。LED筒燈的設計更加的美觀(guān)輕巧，安裝時(shí)能達到保持建筑裝飾的整體統一與完美，不破壞燈具的設置，光源隱藏建筑裝飾內部，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(jué)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、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內外的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)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)化設計；馬湘君等[7]利用有限元方法分析計算了15WLED筒燈溫度場(chǎng)，進(jìn)一步分析了PCB導熱率、導熱膠導熱率和芯片位置(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)驗測量相結合的方法進(jìn)行研究，并將研究結果應用于LED筒燈產(chǎn)品改進(jìn)設計中。

　　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(jiàn)式(1)；也可通過(guò)材料導熱系數(K)來(lái)計算[9]，見(jiàn)式(2)。

　　(公式1)

　　(公式2)

　　式中L———表示熱通道路徑的長(cháng)度；

　　A———表示熱通道有效橫截面積。

　　熱阻可分為導熱熱阻和接觸熱阻。當熱量在同一物體內部以熱傳導的方式傳遞時(shí)，遇到的熱阻稱(chēng)為導熱熱阻。當熱量流過(guò)兩個(gè)相接觸的固體的交界面時(shí)，界面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，稱(chēng)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(lái)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，熱量依靠縫隙內氣體的熱傳導和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。表1列出部分常用材料的導熱系數。

　　表1 常用散熱材料導熱系數

　　對于部分熱通道材料層因其厚度很小，在建模過(guò)程中可不體現出來(lái)，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：

　?、俨捎没亓骱腹に噷?span id="133t7lp" class="hrefStyle" style="word-break: break-all;">LED光源焊接到鋁基板上，LED光源燈珠與鋁基板間設置接觸熱阻?；亓骱笇訛橹饕牧铣煞譃殄a(96%)，厚度一般為0.1～0.15mm，導熱系數為60W/(K·m)。

　?、谌鐖D3所示，鋁基板由導電層、導熱絕緣層和金屬基層構成，導電層厚度微小、導熱率好，因此可忽略不計；主要熱阻由導熱絕緣層決定，導熱絕緣層厚度小、導熱率差，而金屬基層厚度大、導熱好，若二者按同一材料體設置，仿真結果將會(huì )出現較大偏差。

　圖3 鋁基板結構示意圖

　　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

　　，計算公式如下：

　　(公式3)

　　進(jìn)一步，

　　可用等效導熱系數

　　來(lái)表示，而

　　可按下式計算：

　　(公式4)

　　式中ri———各熱通道層材料導熱系數；

　　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、導熱系數1W/(K·m))，則等效導熱系數r等效為2.88W/(K·m)厚度0.226mm。

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

　　2.熱載荷

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

　　(公式5)

　　熱載荷計算是散熱仿真過(guò)程中的重要一環(huán)，LED燈具的熱載荷主要分布在兩個(gè)區域：光源LED和電源。25WLED筒燈熱載荷17.5W，熱源有兩種表現形式：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 熱源載荷設置

　　3.材料表面熱輻射系數的設定

　　不同材料的熱輻射系數是不相同的，即使是同種材料不同表面處理工藝，其熱輻射系數也不盡相同[10]，因此在CFD散熱仿真時(shí)，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(旋壓鋁AL10600.65；AL10600.85)的散熱仿真結果比較。觀(guān)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，輻射系數的差異最終會(huì )影響到整個(gè)LED燈具溫度場(chǎng)分布情況。

　圖5 輻射系數實(shí)驗

　　散熱模擬仿真建模

　　1.實(shí)驗室測試

　　本次實(shí)驗選用25WLED筒燈進(jìn)行實(shí)驗室測量，實(shí)驗室測量設備采用8通道測溫儀TP700，搭建的LED燈具實(shí)驗室溫度測量平臺如圖6所示，測量環(huán)境為無(wú)人走動(dòng)恒溫密閉實(shí)驗房間。測量點(diǎn)位置如圖7所示，并與25W散熱模擬仿真結果(如圖8所示)進(jìn)行比較，從表2中可知，仿真結果較為準確，與實(shí)驗室測量誤差在3℃以?xún)?。因此，本次的仿真數據得到的理論溫度數據與實(shí)際溫度數據較為接近，可作為參考作用。

圖6 實(shí)驗室測量平臺

圖725W筒燈光源板溫度測量點(diǎn)位置

圖825W筒燈仿真分析結果

　　2.現有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熱系數見(jiàn)表2。

　表2 25WLED筒燈燈具材料及其導熱系數

　環(huán)境溫度設置為26.7°C，仿真結果如圖8所示。

　　3.實(shí)驗室測量與仿真試驗數據分析

　　從表3中數據可以發(fā)現，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)，仿真實(shí)驗方法準確可信，后續將采用同樣的參數和邊界條件進(jìn)行優(yōu)化仿真分析實(shí)驗。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(guò)分析，這是由于在樣品制造生產(chǎn)過(guò)程中其工藝、裝配以及后續的測量影響因素造成的，但可以分析出測量點(diǎn)①所處的最內環(huán)LED溫度明顯高于最外環(huán)。所以，以這一光源板布局來(lái)看，雖然其LED工作溫度還處于比較理想的范圍內，但造成整個(gè)光源板的LED工作溫度不均，最終會(huì )導致最內環(huán)LED壽命最短，影響光源板整體壽命。因此，綜合實(shí)驗測量及仿真結果，將對光源板布局進(jìn)行優(yōu)化設計，實(shí)現光源板整體LED工作溫度降低，提高光源板整體壽命。

　　表3 實(shí)驗室測量與仿真溫度對比(室溫26.7℃)

　　光源布局優(yōu)化設計

　　光源布局優(yōu)化要兼顧到散熱、電學(xué)、機械結構、光學(xué)和生產(chǎn)工藝等多個(gè)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(wú)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，調整為3環(huán)LED布局。根據功率設置、光源板設計空間和光學(xué)要求，調整LED數量及LED排布間距，通過(guò)熱仿真軟件分析，確定最佳布局方案。