馮巧波，朱 瑞，唐國(guó)安，張佳杰，張建平，陳 曉

(1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海天逸電器有限公司，上海 201611)

引言

隧道照明的安全可靠性要求特別高，以保障行車(chē)安全及通車(chē)效率。LED燈具節(jié)能護(hù)眼，已逐漸用于隧道照明，但其散熱性能影響使用壽命和發(fā)光效率穩(wěn)定性的瓶頸問(wèn)題也日益突出，因此有必要對(duì)其散熱性能作進(jìn)一步的研究。劉一兵等[1]從改進(jìn)LED結(jié)構(gòu)角度來(lái)分析了散熱問(wèn)題，中國(guó)科技大學(xué)的楊光[2]通過(guò)分析大功率LED的散熱設(shè)計(jì)流程探討了大功率LED路燈的散熱方案，P.Anithambigaia等[3]對(duì)使用雙界面的LED燈具進(jìn)行了熱分析研究。

本文以現(xiàn)有LED燈具為對(duì)象，設(shè)計(jì)了適用于隧道燈具散熱的圓弧形熱沉散熱器，通過(guò)建立數(shù)值模型，利用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)仿真分析，得出熱沉參數(shù)對(duì)散熱性能的影響規(guī)律，為隧道燈具散熱器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 問(wèn)題描述

在圖1所示的LED結(jié)構(gòu)圖中，P-N 結(jié)在外加電場(chǎng)作用下，將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的熱能[4]。目前大功率LED電光轉(zhuǎn)換效率在15%～25%左右，即輸入的電能有75%～85%左右都轉(zhuǎn)化成了熱能。由于LED芯片的尺寸很小，因此其電流密度很大，產(chǎn)生的大量熱量若不能及時(shí)散出，導(dǎo)致LED芯片結(jié)溫迅速上升，從而降低LED的壽命及出光率，甚至引起LED因過(guò)熱而損壞。燈具使用壽命與結(jié)溫的關(guān)系如圖2所示，依照阿雷紐斯法則，結(jié)溫每降低10℃壽命會(huì)延長(zhǎng)2倍。同時(shí)結(jié)溫升高，發(fā)光量明顯降低。

圖1 LED結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of a LED

圖2 結(jié)溫與光衰及LED壽命的關(guān)系Fig.2 Relation between the LED life and junction temperature

2 建模與仿真

2.1 實(shí)體建模

采用現(xiàn)有42W的大功率LED燈具作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)圓弧形熱沉散熱器，研究熱沉數(shù)量、熱沉高度以及熱沉厚度等參數(shù)對(duì)燈具散熱性能的影響。主要數(shù)據(jù)：芯片尺寸為1mm×1mm×0.25mm，透鏡為直徑12 mm的半球。硅襯底為邊長(zhǎng)18mm、高0.3mm的正六棱柱，MCPCB為直徑20 mm、高2mm的六角形鋁質(zhì)基板，底座接在MCPCB鋁基板上。應(yīng)用Pro-E軟件建立幾何模型，散熱器模型如圖3所示，底板厚度為4mm，散熱器長(zhǎng)度為300mm、總寬度為300mm，熱沉頂部為弧形形狀，燈具光源由42顆1W的LED燈成7列排列組成。

圖3 LED散熱器幾何模型Fig.3 3D-model of heat sink

2.2 熱分析基本方程

運(yùn)用Navier-Stokes方程在三維結(jié)構(gòu)模型中全面分析電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量。其遵循的質(zhì)量、動(dòng)量、熱量方程[5]分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為密度；v為速度矢量；p為壓力；cp為定壓比熱容；t為時(shí)間；g為重力；μ為粘滯度；k為熱導(dǎo)率；S為應(yīng)變速度張量；T為溫度；β為膨脹率。

根據(jù)上述方程、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結(jié)果。

2.3 有限元分析

采用有限體積法計(jì)算散熱器內(nèi)部熱流分布，其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周?chē)幸粋€(gè)互不重復(fù)的控制體積，將待解方程對(duì)每個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散方程。

在仿真分析中，取散熱器底部溫度為考察對(duì)象。在如圖4所示的LED燈具散熱示意圖中，LED產(chǎn)生的熱量首先從金屬散熱塊出來(lái)，先經(jīng)過(guò)焊料到鋁基板，再通過(guò)導(dǎo)熱膠傳導(dǎo)到鋁散熱器，最后擴(kuò)散到空氣中。燈具總熱阻R由三部分組成，包括金屬散熱塊和焊料的熱阻R1、鋁基板PCB和導(dǎo)熱膠的熱阻R2、散熱器的熱阻R3，其關(guān)系式如下：

R=R1+R2+R3

(4)

結(jié)溫的表達(dá)式為：

Tj=R×Pd+Ta=(R1+R2)×Pd+Ts

(5)

其中，Pd為耗散的功率，Tj為L(zhǎng)ED器件PN結(jié)的結(jié)點(diǎn)溫度，Ta為環(huán)境溫度，Ts為散熱器底部溫度。LED結(jié)構(gòu)確定后，熱阻R1和的熱阻R2基本保持不變，根據(jù)式(5)可知結(jié)溫Tj與散熱器底板溫度Ts的變化趨勢(shì)一致。因此可以通過(guò)分析散熱器底板溫度的變化趨勢(shì)來(lái)間接研究結(jié)溫變化規(guī)律，而散熱器底板溫度便于測(cè)量，容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 LED燈具散熱示意圖Fig.4 Flow chart of cooling process in LED lamps

模型采用ANSYS11.0軟件分析[6]。設(shè)置單顆LED輸入功率為1W，光效率取20%；封裝體外部的各組件(包括MCPCB、陶瓷封裝、熱沉的外部)通過(guò)與空氣的對(duì)流散熱；器件與外界的熱對(duì)流系數(shù)為20。工作環(huán)境溫度為28℃。各種材料的熱導(dǎo)率如表1所示。采用純鋁作為散熱器材料。由于所設(shè)計(jì)的散熱器熱沉為弧形分布，分析中采用熱沉平均高度為依據(jù)。

表1 材料熱導(dǎo)率Table 1 Thermal conductivities of materials

仿真分析中，取散熱器底部溫度Ts為考察對(duì)象。散熱器溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 散熱器溫度場(chǎng)分布等值線圖Fig.5 Heat field distribution of the heat sink

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

在熱沉數(shù)量為36片、厚度為2mm的情況下，分析熱沉高度的變化對(duì)散熱器散熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱沉高度對(duì)散熱器散熱性能的影響Fig.6 Relation between the cooling capability of radiator and the height of heat sink

在熱沉平均高度設(shè)定為30mm、厚度為2mm的情況下，分析熱沉數(shù)目的變化對(duì)散熱器散熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 熱沉數(shù)目對(duì)散熱器散熱性能的影響Fig.7 Relation between the cooling capability of radiator and the number of fins

圖8 熱沉厚度對(duì)散熱器散熱性能的影響Fig.8 Relation between the cooling capability of radiator and the thickness of heat sink

在熱沉平均高度定為30mm、熱沉數(shù)為36片的情況下，分析熱沉厚度的變化對(duì)散熱器散熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖8所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，制作了散熱器實(shí)物模型，其橫截面如圖9所示，相關(guān)參數(shù)為：熱沉數(shù)量36片，厚度2mm，平均高度40mm，搭配如圖10所示的42W的LED光源進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)溫設(shè)備采用?，擜R882型非接觸式紅外測(cè)溫儀，選取靠近散熱器中部的底板位置作為測(cè)量點(diǎn)，縱向連續(xù)選取5點(diǎn)。在連續(xù)點(diǎn)亮4 h后測(cè)得室溫下各測(cè)量點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。

圖9 LED燈具散熱器橫截面Fig.9 Transverse section of radiator on the LED lamps

圖10 LED燈具光源Fig.10 Photo of LED lamp

表2列出了燈具底板各點(diǎn)的測(cè)量溫度與仿真結(jié)果的比較，通過(guò)比較可以得出，仿真溫度與測(cè)量溫度誤差最大為2.3℃，最小為1.2℃，說(shuō)明本文所建立的LED燈具散熱模型與實(shí)際情況比較符合，仿真結(jié)果準(zhǔn)確度較高。誤差一定程度上是由于測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境和有限元模型的簡(jiǎn)化所引起的。

表2 測(cè)量溫度與仿真溫度對(duì)比表Table 2 Comparative analysis for the temperature measured and the calculation results

3.3 結(jié)果分析

圖6顯示當(dāng)熱沉高度較低時(shí)，隨著散熱器高度的增加，LED溫升顯著降低。這是由于增加散熱器高度，可增大散熱面積，有利于熱量的散發(fā)；但當(dāng)熱沉平均高度達(dá)到40mm時(shí)，這一趨勢(shì)明顯減緩，這是由于隨著熱沉高度增加，散熱器底部和熱沉形成的空間內(nèi)底層空氣穩(wěn)定，減弱了氣流的擾動(dòng)，空氣的對(duì)流能力受到了削弱，從而使散熱器換熱效果進(jìn)一步減弱。

從圖7中可看出：在熱沉從24到60片變化的過(guò)程中，隨著熱沉數(shù)的增加，LED溫升降低，散熱器散熱性能增強(qiáng)，這是由于增加熱沉數(shù)可以增大散熱面積，有利于熱量的散發(fā)，但當(dāng)熱沉數(shù)超過(guò)一定數(shù)量后，這一趨勢(shì)逐漸減緩。

圖8顯示：熱沉厚度較小時(shí)，隨著熱沉厚度的增加，LED溫升降低，散熱器散熱性能增強(qiáng)，這是由于增加熱沉厚度可以增大散熱面積，這在散熱器

總體積較小的情況下，有利于熱量的散發(fā)，但當(dāng)熱沉厚度超過(guò)一定值后，這一趨勢(shì)減緩，并且在熱沉厚度較大時(shí)，隨著厚度增大，散熱器散熱性能減弱，這是因?yàn)殡m然增加厚度有利于底板和熱忱之間的傳熱，但在散熱器寬度尺寸不變的情況下，熱沉厚度增加引起熱沉總體積增大，這將會(huì)減少熱沉之間的間隙，從而使參與換熱的空氣體積減小，降低了換熱率，并且間隙減小使得空氣難以發(fā)生對(duì)流，進(jìn)一步減弱了燈具散熱能力。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)熱沉高度較低時(shí)，隨著熱沉高度的增大，燈具散熱性能顯著增強(qiáng)，但當(dāng)熱沉平均高度達(dá)到40mm后，這一趨勢(shì)明顯減緩。

(2)隨著熱沉數(shù)目的增加，散熱面積增大，散熱器散熱性能增強(qiáng)。

(3)隨著熱沉厚度增加，熱沉總體積發(fā)生改變，從而改變參與換熱的空氣量以及對(duì)流速度，對(duì)散熱器散熱能力產(chǎn)生先增后減的影響。

[1] 劉一兵，黃新民，劉國(guó)華，等.基于功率型LED散熱技術(shù)的研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2008，19(1):69-73.

[2] 楊光.道路照明中大功率LED路燈散熱方案的研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(1):40-47.

[3] Anithambigai P,Dinash K, Mutharasu D, et al. Thermal analysis of power LED employing dual interface method and water flow as a cooling system[J]. Thermochimica Acta, 2011, 523(2):237-244.

[4] 毛興武，毛涵月，王佳寧，等. LED照明驅(qū)動(dòng)電源與燈具設(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民郵電出版社,2011.

[5] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.

[6] 張洪信，管殿柱. 有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS11.0應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2009.