廖紹凱,梅甫良*,林廣平,魏壇霖
(1.嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江嘉興,314001; 2.創(chuàng)正防爆電器有限公司,浙江嘉興314000)
LED 作為新型高效固體光源之一,具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能和環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn),它是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈問世以后的又一次飛躍。隨著LED 性能的不斷提高,其在石油、化工、電力、醫(yī)藥、鐵路、船舶等應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展[1],但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破,尤其在散熱方面。LED工作時(shí)所加電能的85%以上會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量,若疏導(dǎo)不力,芯片溫度將急劇升高,從而對(duì)LED材料的發(fā)光特性及壽命產(chǎn)生有極大影響,一般溫度每升高10 ℃,將導(dǎo)致光衰5%~8%并且壽命減半的嚴(yán)重后果[2]。
目前,國(guó)內(nèi)外普遍采用是通過改變LED 基板材料、封裝結(jié)構(gòu)、工藝和其他輔助工具帶走熱量的方法來試圖解決LED的散熱問題[3]。從散熱方式來分主要有主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱兩種。在主動(dòng)散熱方面,Lan Kim[4]、Moo Whan Shin[5]分別做了用熱虹吸熱管冷卻LED的試驗(yàn)。然而,傳統(tǒng)的熱虹吸熱管由于是汽液同道,熱管彎曲效能劇降。而應(yīng)用在大功率LED 領(lǐng)域,熱管必須經(jīng)受彎曲,所以傳統(tǒng)的熱管也不能夠有效地解決大功率LED的散熱問題。在被動(dòng)散熱方面,孫首群等[6]基于微單元時(shí)變換熱系數(shù)法分析計(jì)算了新型驅(qū)動(dòng)器散熱器的性能。饒連江等[7]研究了集成式LED燈具的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。趙敏等[8-9]對(duì)影響LED 燈具散熱性能的結(jié)構(gòu)幾何因素進(jìn)行了仿真分析,并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在LED散熱設(shè)計(jì)中,翅片散熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于加工,較好的散熱效果得到了廣泛的應(yīng)用。
考慮到筆者所研究的LED燈具應(yīng)用在石油、化工場(chǎng)所,故本研究選擇翅片散熱的方式作為研究對(duì)象,同時(shí)采用陣列方式排布LED芯片。通過數(shù)值仿真,分析燈體材料、散熱片的位置、表面積對(duì)芯片結(jié)溫的影響;然后對(duì)燈具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并進(jìn)行產(chǎn)品試制;最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行溫度試驗(yàn),對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果。
本研究將設(shè)計(jì)一款用于石油、化工場(chǎng)所的大功率防爆LED 路燈,由實(shí)際的大小和亮度的需求,擬設(shè)計(jì)的燈具外觀如圖1所示。燈體的外觀由燈殼和鋼化玻璃蓋組成,內(nèi)部布置了吸熱盤、鋁基板以及60 顆1 W的標(biāo)準(zhǔn)LED芯片。根據(jù)圖1尺寸,在ANSYS軟件中建立幾何模型。
圖1 LED燈具初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(尺寸單位:mm)
有限元模型中省略了LED 封裝的塑料部分、硅膠、細(xì)導(dǎo)線、孔洞、倒角等對(duì)燈體散熱的影響。事實(shí)上,改變不同封裝填充材料對(duì)熱導(dǎo)溫度的降低影響不大;其次,熱沉與鋁基板、鋁基板與吸熱盤通過硅膠導(dǎo)熱,元件結(jié)合十分緊密,一般硅膠結(jié)合厚度在微米量級(jí),為便于分析,可以忽略硅膠的影響;再者,孔洞、倒角等細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)燈具溫度場(chǎng)的影響甚小。
燈具的熱源為L(zhǎng)ED芯片,由于LED芯片只能將少數(shù)電能轉(zhuǎn)化為光能,而剩下約85%的能量將轉(zhuǎn)換為熱能,隨著芯片功率的不斷增加,燈具亮度不斷增加,芯片結(jié)溫和燈具溫度卻不斷升高,燈具的壽命也不斷減少。為解決燈具壽命和亮度這對(duì)矛盾,本研究采用1 W 的標(biāo)準(zhǔn)LED 芯片,陣列式排布60 顆在鋁基板上,排列方式為在直徑40 mm、85 mm、130 mm和175 mm的圓周上分別均勻布置6、12、18和24顆芯片。在增大燈具總功率的同時(shí),將熱源分散在鋁基板上,使芯片均勻散熱,降低芯片結(jié)溫。該模型中芯片的發(fā)熱量取輸入功率的85%,即為0.85 W,芯片尺寸為1 mm×1 mm×1 mm,則發(fā)熱率為0.85 W/mm3。在此不考慮芯片級(jí)熱阻對(duì)結(jié)溫的影響,芯片的導(dǎo)熱系數(shù)取一個(gè)較大值。
燈具通過熱傳導(dǎo)和熱交換的形式將熱量散熱到空氣中。熱傳導(dǎo)的優(yōu)劣取決于系統(tǒng)級(jí)熱阻,將作詳細(xì)探討,熱交換的優(yōu)劣取決于對(duì)流系數(shù)和空氣環(huán)境溫度。然而燈體與空氣的熱交換系數(shù)很難精確給出,根據(jù)以往文獻(xiàn),通??諝鉄峤粨Q系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下:
內(nèi)部空腔:
外表面:
式中:h—空氣熱交換系數(shù);v—空氣流速。
考慮到試驗(yàn)時(shí)燈具置于試驗(yàn)箱中,處于室內(nèi)封閉環(huán)境,因此燈具的外部熱交換系數(shù)取為5 W/m2·k,燈具內(nèi)部空腔的熱交換系數(shù)取為2.5 W/m2·k,燈具的環(huán)境溫度取為50 ℃。
本研究參照?qǐng)D1所示尺寸,建立有限元模型。因?yàn)樾酒叽巛^小,為提高計(jì)算精度,本研究采用20 節(jié)點(diǎn)的六面體單元solid90,同時(shí)按照上一節(jié)中的參數(shù)定義芯片發(fā)熱率和環(huán)境參數(shù)。現(xiàn)分別討論燈體材料、吸熱盤散熱片和外殼散熱片對(duì)芯片結(jié)溫的影響,然后根據(jù)討論的結(jié)果對(duì)燈具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
燈體材料對(duì)結(jié)溫的影響體現(xiàn)在其導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)結(jié)溫的影響,從定性分析來說,導(dǎo)熱系數(shù)越大,熱阻越小,導(dǎo)熱能力就越強(qiáng),結(jié)溫越低。從定量計(jì)算來說,本研究選擇了常見的一些金屬材料(如表1所示)進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,得到了與其結(jié)溫的關(guān)系(如圖2所示)。
表1 常見金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)
圖2 芯片結(jié)溫與導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
從圖2 可以看出,芯片結(jié)溫雖導(dǎo)熱系數(shù)呈指數(shù)遞減,并趨近于80 ℃,為便于設(shè)計(jì)人員的使用,將數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合,擬合方程如下:
式中:T—芯片結(jié)溫,K—導(dǎo)熱系數(shù)。
由式(3)可知,當(dāng)選用金、銅為燈體材料時(shí),其結(jié)溫能得到有效地降低,但其成本相對(duì)較高,而且不易于機(jī)械加工;當(dāng)選用鐵時(shí),其結(jié)溫相對(duì)較高,因此綜合考慮選擇鋁作為燈體材料,散熱效果較好,且易于材料成型加工。
芯片的熱量主要以熱交換的形式傳入空氣,因此可通過增加燈體與空氣的熱交換面積,達(dá)到降低芯片結(jié)溫的目的。燈體與空氣的接觸面為外殼和內(nèi)部空腔,傳統(tǒng)的燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),往往基于工程師個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)布置外殼和內(nèi)部空腔的散熱翅片,難以保證其設(shè)計(jì)是可行和優(yōu)化的。本研究將數(shù)值傳熱分析引入散熱翅片的設(shè)計(jì)過程,分別研究在內(nèi)部吸熱盤和外殼設(shè)計(jì)散熱翅片對(duì)結(jié)溫的影響。
吸熱盤上的翅片布置一般分為兩種形式,一種是環(huán)向布置,另一種是徑向放射狀布置。現(xiàn)筆者采用鋁為燈體材料,在前面的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,吸熱盤先布置環(huán)向翅片,然后布置放射狀翅片進(jìn)行數(shù)值分析。翅片設(shè)計(jì)如圖3所示,分別數(shù)值仿真了圖3(a~f)共計(jì)6個(gè)模型,得到了其芯片結(jié)溫與增加的翅片面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。
圖3 吸熱盤散熱翅片設(shè)計(jì)圖
圖4 芯片結(jié)溫隨翅片面積增加的對(duì)應(yīng)關(guān)系
從圖4 可以看出,芯片結(jié)溫隨著散熱翅片的增加而比例減少,但環(huán)向翅片和放射狀翅片對(duì)結(jié)溫的降低效果有所不同,圖4中從(a)~(b)為環(huán)向翅片對(duì)結(jié)溫的降低情況,從(c)~(f)為放射狀翅片對(duì)結(jié)溫的降低情況,很明顯,后者的斜率大于前者的斜率,意味著放射狀的翅片對(duì)結(jié)溫的降低效果優(yōu)于環(huán)狀翅片。為便于設(shè)計(jì)人員的使用,將數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,擬合方程如下:
式中:T—芯片結(jié)溫,A1—吸熱盤翅片的面積。
本節(jié)研究在外殼表面增加散熱翅片對(duì)芯片結(jié)溫的影響。考慮到在內(nèi)部空腔部分對(duì)應(yīng)的外殼表面需要放置接線盒,不適宜布置散熱片,因此筆者在靠近燈蓋處的外殼表面布置散熱翅片。通過前面的分析布置放射狀的翅片散熱效果較好,故本研究在外殼表面沿著圓周上布置放射狀翅片,在此討論基于圖3(f)模型的基礎(chǔ)上均勻布置10、20、30和40片翅片對(duì)結(jié)溫的降低情況。外殼增加10 片散熱片的模型如圖5所示。數(shù)值計(jì)算得到的芯片結(jié)溫隨外殼翅片面積增加的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。
圖5 外殼增加10片散熱片模型
圖6 芯片結(jié)溫隨翅片面積增加的對(duì)應(yīng)關(guān)系
從圖6 可以看出,芯片結(jié)溫隨著散熱翅片的增加而比例減少,為便于設(shè)計(jì)人員的使用,將數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,擬合方程如下:
式中:T—芯片結(jié)溫,A2—外殼翅片的面積。
結(jié)合式(4,5)可以看出,外殼散熱片的增加對(duì)芯片結(jié)溫的降低要優(yōu)于吸熱盤上的散熱片,這是因?yàn)橥獗砻娴臒峤粨Q系數(shù)大于內(nèi)部空腔的熱交換系數(shù)。
從前面的分析可以看出,首先,單選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料,并不能持續(xù)降低芯片結(jié)溫;其次,無論是內(nèi)部散熱片和外殼散熱片的增加都能逐漸降低芯片結(jié)溫,但翅片的個(gè)數(shù)受加工工藝的限制,不可能無限地增加,相反密集的布置散熱翅片,會(huì)使得邊界層的粘滯作用增強(qiáng),導(dǎo)致對(duì)流不能充分進(jìn)行,散熱效果反而更差;最后,考慮到外殼表面的布局,如接線盒和其他輔助部件的放置,外殼表面的散熱片無法均勻的布置。因此,本研究最終優(yōu)化的模型為在圖3(f)的基礎(chǔ)上,在環(huán)向不均勻的對(duì)稱布置30 片散熱翅片,并在外殼頂部布置6 片散熱片,最終的LED 燈優(yōu)化模型和數(shù)值仿真的結(jié)果如圖7所示。
圖7 LED燈優(yōu)化模型及溫度分布(溫度單位:℃)
從圖7可以看出,燈具的最高溫度出現(xiàn)在芯片處,大小為76.8 ℃,相比于前面的模型,芯片結(jié)溫進(jìn)一步降低。最低溫度出現(xiàn)在燈殼的頂部,大小為69.7 ℃,溫差為7.1 ℃。通過觀察整體的溫度云圖,燈具溫度場(chǎng)基本均勻,可見芯片的熱量經(jīng)過有效的疏導(dǎo),傳入到空氣中,降低了芯片結(jié)溫,進(jìn)而延長(zhǎng)燈具的使用壽命。
本研究利用現(xiàn)代加工技術(shù)對(duì)最終優(yōu)化后的模型進(jìn)行同尺寸樣品制作,采用額定功率為1 W的LED芯片,共計(jì)60 顆陣列式布置在鋁基板上,樣品如圖8所示?,F(xiàn)筆者對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度試驗(yàn),以對(duì)比分析和驗(yàn)證仿真計(jì)算的結(jié)果。溫度試驗(yàn)采用燈具的整機(jī)試驗(yàn),樣品置于50 ℃的恒溫試驗(yàn)箱中,通以220 V 的電壓,連續(xù)運(yùn)行至溫度穩(wěn)定,然后用溫度計(jì)測(cè)試燈具外殼表面處的溫度值,溫度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
圖8 陣列式大功率LED燈
表2 溫度試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比
從表2 可以看出,溫度試驗(yàn)和仿真模擬的結(jié)果存在一定的誤差,這是由測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境、有限元模型的簡(jiǎn)化(接線盒、孔洞、倒角、硅膠的簡(jiǎn)化)和接觸熱阻的忽略(吸熱盤與燈殼、燈蓋與燈殼之間的接觸熱阻)等所導(dǎo)致的,但總體來說誤差相對(duì)不大,可忽略其簡(jiǎn)化等帶來的誤差,從而大大減少了仿真模擬的工作量。因此所采用的仿真設(shè)計(jì)基本能準(zhǔn)確地反應(yīng)產(chǎn)品的溫度分布,定性分析和定量計(jì)算的結(jié)果可指導(dǎo)企業(yè)對(duì)燈具進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化。
為滿足石油、化工場(chǎng)所的燈具對(duì)散熱較高要求,本研究對(duì)LED 燈具的散熱進(jìn)行了理論分析和仿真計(jì)算。首先,通過傳導(dǎo)路徑的分析,燈具的熱阻由系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)熱阻組成,主要探討了系統(tǒng)級(jí)熱阻對(duì)芯片結(jié)溫的影響。其次,通過數(shù)值仿真得到了有熱源的第三類邊界熱傳導(dǎo)方程的數(shù)值解,并得到了如下結(jié)論:
(1)芯片結(jié)溫隨燈體材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加呈指數(shù)遞減的趨勢(shì);
(2)芯片結(jié)溫隨吸熱盤散熱面積和外殼散熱面積的增加呈線性遞減的趨勢(shì);
(3)吸熱盤上放射狀布置散熱片優(yōu)于環(huán)向布置的散熱效果;
(4)外殼散熱片的散熱效果優(yōu)于吸熱盤散熱效果。
最后,根據(jù)理論分析,本研究對(duì)燈具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和樣品制作,并對(duì)燈具進(jìn)行整機(jī)溫度試驗(yàn),測(cè)得了燈具外殼表面幾處代表性的溫度值,與仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)比表明,所采用的數(shù)值模型能準(zhǔn)確地反映樣品的溫度分布情況,也表明優(yōu)化方案有較好的散熱效果,有助于延長(zhǎng)燈具的壽命。
(References):
[1]盧有祥.LED 的發(fā)展與應(yīng)用[J].光電技術(shù),2008,49(1):14-21.
[2]胡志華,向建化.大功率LED 相變熱沉的傳熱性能研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(9):94-97.
[3]NARENDRAN N,GU Y M.Life of LED-based white light sources[J].IEEEJ Disp Tech,2005,1(1):167-171.
[4]KIM L,CHOI J,JANG S H,et al.Thermal analysis of LED array system with heat pipe[J].Thermo chemical Acta,2007(455):21-25.
[5]SHIN M W.Thermal design of high-power LED package and system[J].Proceeding of SPIE,2006,6355:9-21.
[6]孫首群,盧華陽,翰 琳,等.新型驅(qū)動(dòng)器散熱器散熱性能仿真與優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(11):2721-2824.
[7]饒連江.基于ANSYS 的LED 燈具熱分析[J].照明工程學(xué)報(bào),2010,21(1):53-58.
[8]趙 敏,陳志平,張巨勇,等.大功率LED燈的熱分析與熱設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2012,29(2):220-223.
[9]沈忠良,盧 冰,李恩文,等.大功率LED強(qiáng)化散熱技術(shù)進(jìn)展[J].輕工機(jī)械,2013,31(2):107-112.
[10]閻 軍,孫興盛.半導(dǎo)體照明燈具典型散熱結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),2010(31):285-293.