李本紅，劉海林

(1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528137;2.寧波大學(xué)信息學(xué)院，浙江寧波315211)

煙囪效應(yīng)在大功率LED燈具散熱器設(shè)計(jì)中的影響分析

李本紅1*，劉海林2

(1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528137;2.寧波大學(xué)信息學(xué)院，浙江寧波315211)

煙囪效應(yīng)具有強(qiáng)化對(duì)流、增強(qiáng)換熱的能力。本研究設(shè)計(jì)了一款基于煙囪效應(yīng)的大功率LED燈具散熱器，采用有限元分析法分析煙囪效應(yīng)在散熱器散熱過(guò)程中的作用效果。分別探討了煙囪的高度、煙道孔徑以及煙囪個(gè)數(shù)對(duì)散熱器散熱性能的影響。研究表明，本研究中煙囪煙道孔徑的最佳尺寸為6mm。煙囪的高度可依據(jù)散熱器的高度設(shè)計(jì)取40 mm～50 mm。在設(shè)計(jì)條件允許的前提下，煙囪個(gè)數(shù)越多散熱器散熱效果越好。

煙囪效應(yīng);大功率LED;散熱設(shè)計(jì);有限元

近年來(lái)，大功率LED燈具憑借出色的節(jié)能與環(huán)保性能［1-5］已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了生活中的各個(gè)照明領(lǐng)域，并在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)的照明光源而成為照明領(lǐng)域的主導(dǎo)［6-7］。我國(guó)在大功率LED燈具封裝領(lǐng)域具有較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。在LED燈具的生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中，使用散熱器及時(shí)有效地將大功率LED工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去是關(guān)鍵一步，這將直接關(guān)系到產(chǎn)品的壽命和各項(xiàng)性能指標(biāo)［8］。提高散熱器的散熱性能一般從選材入手，但在自然對(duì)流換熱的條件下，通過(guò)合理的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善散熱器周?chē)臍鈩?dòng)布局，同樣可以在較大程度上提高散熱器的散熱性能［9］。

“煙囪效應(yīng)”是指利用空氣浮力差對(duì)空氣形成一種抽運(yùn)，進(jìn)而強(qiáng)化自然對(duì)流的現(xiàn)象。煙囪效應(yīng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了具有共享中庭的建筑物和構(gòu)筑物的通風(fēng)排氣中［10］。利用煙囪效應(yīng)強(qiáng)化對(duì)流的特性，將其設(shè)計(jì)在電子設(shè)備的散熱器中可以有效地提高散熱性能［11］。相關(guān)的研究在國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道［12］。在實(shí)際的散熱器設(shè)計(jì)中，并非具有煙囪結(jié)構(gòu)就一定能夠形成有效的煙囪效應(yīng)，這里還必須要有合理的煙囪尺寸設(shè)計(jì)。

本研究設(shè)計(jì)了一款基于煙囪效應(yīng)的大功率LED燈具散熱器，如圖1所示，利用有限元分析法分析煙囪高度、煙道孔徑以及煙囪個(gè)數(shù)對(duì)散熱器散熱性能的影響。研究中煙囪效應(yīng)的強(qiáng)弱直接關(guān)系到散熱器散熱性能的強(qiáng)弱，煙囪效應(yīng)的強(qiáng)弱通過(guò)LED熱源溫度和仿真結(jié)果的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布來(lái)判斷。

圖1 一款基于煙囪效應(yīng)的LED燈具散熱器

1 基本參數(shù)的設(shè)定

本研究將搭配一款基于“煙囪效應(yīng)”散熱器的大功率LED筒燈作為研究對(duì)象。有限元分析的物理模型及建模尺寸如下:LED熱源(LED器件)尺寸為1.2 mm×1.2 mm×0.1 mm，基板尺寸為4.5 mm ×3 mm×0.5 mm、燈罩、PCB板為環(huán)形，內(nèi)徑為3.5 mm，外徑為19 mm，厚度為1.5 mm。散熱器分為基座和主體兩部分，基座的厚度為2 mm，主體部分為圓柱形，煙囪的進(jìn)出口皆為正方形，煙囪高度H與煙道孔徑D為變量。煙囪的縱截面示意圖如圖2中左圖所示。為了模擬自然對(duì)流下的煙囪效應(yīng)，需要給燈具加空氣包圍框，空氣包圍框?yàn)閳A柱體，底面圓半徑為80 mm，高度為290 mm。最終的建模示意圖如圖2中右圖所示。

圖2 煙囪橫截面示意圖與有限元最終建模示意圖

建模所涉及的燈具的組件所用材料參數(shù)如表1所示。

表1 燈具封裝材料物理參數(shù)

有限元軟件參數(shù)設(shè)置:有限元仿真環(huán)境為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的自然對(duì)流，環(huán)境溫度設(shè)置為35℃。熱源的發(fā)熱功率設(shè)置為2 W，激活能量方程、浮力驅(qū)動(dòng)。空氣的流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為層流。重力加速度為9.8 m/s2。為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，對(duì)所建模型取1/3對(duì)稱(chēng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙囪煙道孔徑對(duì)煙囪效應(yīng)的影響

通過(guò)在有限元分析軟件中調(diào)整煙囪的煙道孔徑D和煙囪高度H，我們探究了煙囪高度為30 mm～80 mm，煙道孔徑為1 mm～16 mm下燈具散熱器中的煙囪效應(yīng)的強(qiáng)弱。獲得了不同煙囪高度和煙道孔徑下的燈具流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。圖3、圖4為煙囪高度為40 mm，煙道孔徑為6 mm時(shí)的燈具流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布圖。

圖3 煙囪流場(chǎng)分布圖

圖4 煙囪溫度場(chǎng)分布圖

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出煙道中心流速與煙道的孔徑關(guān)系圖如圖5所示。從圖中可以看出，在煙囪高度不變的情況下，煙道孔徑小于5 mm時(shí)煙道內(nèi)流速較小。當(dāng)煙道孔徑為5 mm時(shí)，流速達(dá)到最高值，隨后隨著煙道孔徑的增大，中心流速又緩慢下降。熱源的溫度與煙道孔徑的關(guān)系如圖6所示，從中可以看出，在煙道孔徑低于6 mm時(shí)，熱源的溫度居高不下，從6 mm開(kāi)始溫度急劇下降。煙道孔徑的最佳尺寸在6 mm處。

圖5 不同煙囪高度下煙道中心流速與煙道的孔徑關(guān)系圖

圖6 不同煙囪高度下熱源溫度與煙道的孔徑關(guān)系圖

分析原因在于，當(dāng)煙道孔徑小于5 mm時(shí)，由于煙道邊界阻力的影響，煙道內(nèi)幾乎沒(méi)有空氣流動(dòng)，即煙囪效應(yīng)并不明顯。熱源產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效地隨煙囪內(nèi)的氣流擴(kuò)散到環(huán)境中去，因此熱源溫度居高不下。當(dāng)煙道孔徑達(dá)到5 mm時(shí)，雖然煙道中心流速具有較高值，但受到煙道表面積的限制，熱源溫度并沒(méi)有明顯下降。當(dāng)煙道孔徑從6 mm開(kāi)始，煙道內(nèi)中心流速增大，煙囪效應(yīng)明顯增強(qiáng)，提高了散熱器與周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)，同時(shí)煙道也具有較大的表面積，根據(jù)牛頓冷卻定律可知，對(duì)流換熱系數(shù)以及散熱表面積的增大可以提高散熱量，進(jìn)而導(dǎo)致熱源溫度的急劇下降。

2.2 煙囪高度的影響

從圖5中還可以看出，隨著煙囪高度的增大，煙囪煙道內(nèi)的中心流速逐漸增大，但是增勢(shì)較為緩慢，隨著煙囪高度的進(jìn)一步增大，煙道內(nèi)的中心流速趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)本研究中散熱器中的煙囪效應(yīng)在煙囪高度超過(guò)40 mm后，對(duì)煙囪高度的依賴(lài)性較小。從圖6中也可以看出，隨著煙囪高度的增大，熱源的溫度也僅有較小的降幅。在實(shí)際的散熱器設(shè)計(jì)中，煙囪的高度可以更多的參考散熱器的高度，取40 mm～50 mm。

2.3 煙囪個(gè)數(shù)的影響

固定煙囪的煙道孔徑為6 mm，煙囪高度為40 mm，探究LED散熱器中煙囪個(gè)數(shù)對(duì)散熱器散熱性能的影響。依次分析了散熱器中煙囪個(gè)數(shù)從2～18時(shí)的燈具散熱效果。結(jié)果顯示，隨著煙囪個(gè)數(shù)的增大，熱源的溫度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，熱源溫度從127.3℃降到了102.2℃，如圖7所示。煙囪個(gè)數(shù)的增大，不僅增大了散熱器的散熱表面積，而且很大程度上改變了散熱器周?chē)諝獾臍鈩?dòng)布局。在煙囪效應(yīng)的作用下，熱源產(chǎn)生的熱量源源不斷地隨著上升氣流擴(kuò)散到環(huán)境中去，使得熱源溫度不斷下降。

圖7 熱源溫度與煙囪個(gè)數(shù)關(guān)系圖

3 結(jié)論

本研究使用有限元分析法分析了煙囪效應(yīng)在大功率LED散熱器的影響。研究結(jié)果如下:

將煙囪效應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)用到大功率LED的散熱器設(shè)計(jì)中可以有效提高散熱器的散熱性能，大大豐富了散熱器研發(fā)的設(shè)計(jì)思路。本研究中最佳的煙囪設(shè)計(jì)如下:

(1)本研究中煙囪效應(yīng)最佳的煙道孔徑不應(yīng)低于6 mm，煙囪高度在超過(guò)40 mm后對(duì)煙囪效應(yīng)的強(qiáng)度影響不大，在實(shí)際的散熱器設(shè)計(jì)中可參考散熱器的高度將煙囪高度設(shè)置為40 mm～50 mm。

(2)在最佳煙囪效應(yīng)的煙囪尺寸下，煙囪個(gè)數(shù)越多，散熱器散熱性能越好。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中還要參照散熱器的尺寸以及加工工藝的難易程度來(lái)確定煙囪的個(gè)數(shù)。

［1］ 嚴(yán)華鋒，徐光明.半導(dǎo)體照明進(jìn)入傳統(tǒng)照明市場(chǎng)分析［J］.半導(dǎo)體照明，2010，10(8):16-17.

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李本紅(1974- )，男，漢族，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，現(xiàn)從事工業(yè)控制分析和工業(yè)控制設(shè)計(jì)方面研究，lhxy0301@ sina.com。

Analysis of the Chimney Effect in Thermal Design of High-Power LED Lamps Radiator

LI Benhong1*，LIU Hailin2

(1.Foshan Vocational and Technical College，F(xiàn)oshan Guangdong 528137，China; 2.College of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China)

The chimney effect could enhance the convection and heat transfer.This study has designed a high-power LED lamps radiator based on chimney effect.The effect of the chimney designed in radiator was analyzed by finite element analysis method.The cooling performance of radiator was explored by changing the chimney height，flue aperture，and chimney number.The results show that the best chimney flue aperture size is 6mm.The chimney height can design to 40 mm～50 mm based on the height of the radiator design.With the design conditions permitting，the more the chimney number the better the thermal performance of radiator heat.

chimney effect;high-power LED;thermal design;finite element

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.011

TM923.48

A

1005－9490(2014)02－0221－04

2013-05-29修改日期:2013-06-18

EEACC:4200D