LED散热情况研究

2024-09-30

LED散热情况研究（精选4篇）

LED散热情况研究篇1

0 引言

目前工矿灯主要还是以传统光源 (钠灯、金卤灯、白炽灯等) 为主, 传统光源具有耗能大、短寿命、含光污染、不环保等缺点。LED工矿灯与传统类似灯具相比, 具有节能环保的社会效益。LED工矿灯比白炽灯节电约60%, 且LED工矿灯不含有害金属, 不含红外线和紫外线, 没有辐射, 不会产生光污染废弃物可回收利用, 属于典型的绿色环保照明产品;LED灯珠具有自身无频闪、无紫外线辐射、热辐射较低、能耗低等特性, 加上应用光扩散技术消除眩光, 使之成为真正的节能、环保、健康光源[1]。然而随着LED工矿灯的广泛应用, 人们对其功率也提出了更高的要求。功率的不断增大, 使得LED工矿灯散热强化成为保证其产品质量必须考虑的因素。如果热量不能有效传导出去, 将会严重影响LED工矿灯具的使用寿命[2]。另外, 对于应用方来说, 节约成本也无法做到, LED工矿灯的推广及发展也会受到制约, 这就意味着大功率LED工矿灯的散热是必须首先解决的问题。

当前的散热主要有液体冷却、热电制冷、自然对流和热管等方式[3]。而其中热管[4]传热迅速, 温差小, 特别具有非常出色的均热能力可有效消除“热点”, 使散热面温度均匀, 广泛应用于分散热源的温度控制。为此, 本文设计了一款新型烧结热管式的散热模组, 并对该模组进行了应用于LED工矿灯数值模拟研究, 与实验数据进行比较分析, 探讨所设计散热方案是否能够满足LED工矿灯在不同环境下的散热需求。

1 实验

实验以散热模组作为研究对象, 散热模组由翅片组与U型烧结热管组合而成。其实物图见图1, 具体尺寸如表1所示。

实验中对基板底部用电热铜块进行加热测试, 加热铜块加热功率为50W。采用自然对流方式冷却。实验中采用安捷伦34970A和K-OMEGA热电偶 (精度为±0.5℃) , 分别置于热管的不同位置对热管的各个部位进行温度变动记录, 具体位置如图2所示。实验在26℃的室温下进行, 待温度曲线平稳后停止实验。

2 数值模拟与理论分析

2.1 物理模型

为了分析该散热模组在不同环境温度下的散热效果, 本文应用Ansys专业热分析软件, 对散热模组的性能进行数值模拟。运用Gambit软件对模型进行网格划分, 其几何结构按实际尺寸绘制, 具体如图3所示。散热模组底板和翅片材料均为铝材。仿真中, 在不影响最终比较结果准确性的前提下, 为了运算方便, 进行下假定:

(1) 忽略散热铜块分布对热量分布的影响, 散热模组产生的热量作为热流密度值施加在铜基板上表面;

(2) 因辐射散热对LED灯散热的影响较小, 且各个方案的散热器外形结构和表面性质均相同, 所以, 不考虑热辐射对散热的影响;

(3) 假定不同部件的接触面为光滑的理想接触面, 即不考虑接触热阻的影响;

(4) 假定导热物体边界面的温度、环境温度和热流密度为常量;

(5) 假定换热系数h是恒定的, 参考空气中自然对流情况下对流换热系数的常见值, 假定h=9 W/ (m2·K) ;

(6) 假设外界环境温度为26℃, 压力为常压101 325 Pa;

(7) 假定热管为导热系数超高的固体[5]。

2.2 初始化条件与边界条件

(1) 初始化条件:假设流体在壁面上无滑移, 流体物性参数为常数, 翅片上为恒温, 在计算过程中不考虑系统的浮升力和辐射换热, 散热器放置在完全敞开的空间。

(2) 流场边界条件:假设流体为定常连续不可压缩流体, 其性质为恒值。流体与固体接触的边界各处的流速全为零, 进口速度均匀。

(3) 热流条件:热源为恒定热源50 W。

3 结果与分析

3.1 实验结果与分析

如图4所示, 为散热模组受热稳定后的温度分布图。横坐标为时间, 纵坐标为温度。近似取基板三个测试点平均温度为Tb, 热管两个测试点平均温度为Th, 翅片组三个测试点平均温度为Th以及空气温度为Ta。随着加热功率的输入, 热量不断积累, 温度曲线呈上升趋势。当输入的热量与散发的热量逐渐平衡时, 温度曲线趋于平稳。如图4所示, 当室温为26℃, 在50 W的输入功率下, 实验中散热模组的最高温度大约为58.4℃。该热流密度下, 散热模组的散热效果良好, 能够很好地满足LED工矿灯散热需求。

3.2 模拟结果与分析

如图5所示, 为散热模组模拟稳定后的温度分布图。散热模组表面的温度在35~58℃之间。从中可得到散热器各个位置的温度。模拟结果中, 散热器的最高温度不超过56℃。与实验中得到的最高温度较为吻合。

3.3 数值模拟结果与实验对比

为了验证模型的可靠性, 模拟结果与实验数据进行了进一步的对比。如表2所示, 分别取实验与模拟结果中的基板温度、热管温度与翅片温度进行比较。从表中可以看出, 所选位置的实验与模拟结果相当接近。三个位置的温差分别为1.53℃、1.03℃与1.52℃。进一步计算可得三者的相对误差为2.76%、2.36与4.01%。从中可以看出, 模拟结果与实验结果相当吻合, 该模型能准确计算出散热模组的温度分布, 可为LED工矿灯的散热设计提供理论指导。

4 结论

本文对一种应用于LED工矿灯的散热模组进行了数值模拟与实验研究。结合两者对比的结果, 可得到以下主要结论。

(1) 根据实验结果, 在50 W的输入功率下, 散热模组基板上的最高温度为58.4℃。能够很好地满足LED工矿灯散热需求。

(2) 与实验结果对比, 模拟结果与实验数据相当吻合。所选温度点实验与模拟温度差的最大相对误差在4.01%以内。该理论模型可靠性较高, 可为工矿灯的散热设计提供理论基础。

参考文献

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[2]郑同场, 李炳乾, 夏正浩.半导体制冷的大功率LED模组散热模拟[J].半导体光电, 2010, 31 (2) :210-212.

[3]孙磊, 张红, 许辉.LED筒灯复合结构热管散热器的数值模拟[J].半导体光电, 2011, 32 (2) :224-227.

[4]汪双凤, 胡艳鑫, 陈金建.应用于LED散热的平板热管传热特性[J].工程热物理学报, 2012, 33 (8) :1371-1374.

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大功率LED散热结构研究篇2

发光二极管 (light emitting diodes) 照明以其高效、节能、环保、应用灵活、寿命长、安全性高等优点, 成为白炽灯、荧光灯后的又一新兴光源。近年来大功率LED在日常照明领域不断普及, 但随着功率的不断提高, 大功率LED的散热问题也日益突出, 成为制约其行业发展的关键因素之一。本文首先从大功率LED散热问题入手, 对比分析目前市场常见的几种大功率LED散热结构的散热特点, 其次提出了大功率LED灯具散热的结构优化设计。

2 常见散热结构

LED灯具输入功率为100W, 采用高密集COB封装方式, 对比如下。

2.1 热管加鳍片设计

从热成像图片 (见图1、图2) 中可以看出光源基板的温度与散热器界面温度相差2℃。但是光源表面温度为74℃ (见图3) , 光源中的热量还未及时导出, 在光源中积聚, 影响光源的寿命, 造成光衰。鳍片加热管散热的这种结构需要在灯具内部完成安装, 对于灯具的外形尺寸有严格的要求, 不易于成型各种结构尺寸。

2.2 均温板加鳍片散热

从红外成像仪 (见图4、图5、图6) 中可以看出光源表面温度与散热器周边温度相差30℃。光源中的热量未能及时扩散出来, 散热的均匀性不好。由于外设散热鳍片, 灯具的整体重量增加, 在灯具安装使用过程存在安全隐患。

2.3 LED路灯散热器一体化设计

2.3.1 有限元分析基础

三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T (x, y, z, t) 满足:

由公式 (3) 确定的边界条件与初始条件, 利用迭代法或者消去法求解, 得出热分析结果。

2.3.2 散热模型

LED灯具输入功率为100W, 采用高密集COB封装方式, 传热与散热一体化薄板型散热器件的稳态温度场如图7、图8、图9所示。

从红外热成像仪中可以看出虽光源中心温度与周边温度相差9℃, 但是光源表面的温度仅为69℃, 热量基本导出, 散热效果非常好。由于散热器件的散热效果比较好就无需笨重的外壳来辅助散热, 因此外壳采用PC材质, 相比与传统散热器无安全隐患, 散热效果大大改善。

3 结束语

从以上对比得到采用传热与散热一体化设计的薄板型散热器件有以下明显的优势。

1) 与传统压铸型铝沉散热器和型材铝散热器相比, 其重量可减轻3~6倍, 在降低材料成本的同时便于安装;

2) 与热管散热器相比其重量也降低了1~2倍, 在大功率LED照明器件上其重量降低尤为明显;

3) 与传统热管散热器相比, 其传热结合界面从热管散热器的3~4个结合界面减少到1个, 其传热热阻大幅度降低;

4) 不存在常用热管的传热密度低、低温冻凝、向下传热能力低下等缺陷, 其后期维护优势明显。

摘要：目前大功率LED灯具的散热问题已经成为制约LED行业深入发展的瓶颈, 体积小、重量轻、结构相对简单、制造加工成本低的散热器是研究的主要方向。不同的散热器由于结构设计不同, 工作时散热特点也不尽相同。论文在实测现有主流LED灯具散热器并总结分析散热效果的基础上, 提出传热-散热一体的LED灯具散热器结构设计理念, 并对LED灯具工作温度场进行分析, 验证了传热与散热一体化设计的理念。

关键词：大功率LED路灯,散热器,灯具散热优化

参考文献

[1]Arik M, Petroski J, Weaver S.Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications:Light emitting diodes[J].IEEE Intersociety Conf.Thermal Phenomena awaii, 2002:113-120.

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[3]戴炜锋, 王珺, 李越生.大功率LED封装的温度场和热应力分布的分析[J].半导体光电, 2008, 29 (3) :324-328.

LED散热情况研究篇3

伴随近数十年的技术突破, LED光源因其节能、环保和寿命长等优势而发展迅速, 被公认为是最具发展前景的绿色节能照明光源。但由于LED芯片发光效率较低, 大部分的输入功率都以热量的形式散发出来, 导致芯片结温升高, 从而引发一系列问题, 如寿命大幅缩短, 光衰严重等, 如何能高效散热已成为大功率LED一个亟待解决的问题。

UV-LED光源随着LED的技术进步而迅速发展。UV-LED印刷灯是利用光固化原理干燥油墨的一种印刷灯, 具有体积小, 成本低, 寿命长, 节能环保, 瞬间开关, 低温运作, 无须保养维修等优势。但UV-LED印刷灯也同样面临着发光效率低, 大量的输入功率转化成热量, 导致结温升高的问题, 加之实际应用中UV-LED印刷灯的散热要求苛刻, 因此, 设计效率较高的散热系统, 不仅是大功率UV-LED印刷灯系统设计的关键, 而且对散热系统理论研究及工程实践应用具有较高的价值。

目前, 国内外研究人员对大功率LED散热系统设计的研究相对较少。鲁祥友等[1,2,3]提出了一种新型结构的回路热管, 建立了回路热管导热性能的测试实验装置。实验结果证明这种回路热管散热器温度分布均匀, 热阻较小, 可较快地降低大功率LED的结温。Sano等[4]报道了一个具有优秀散热能力的超亮度LED散热模块, 该模块采用导热能力出色的铝作为散热基板, 取得了较好的散热效果。Acikalin等[5]采用小型压电风扇强迫风冷的冷却方法降低LED的工作温度, 实验结果表明该冷却方法能将LED温度下降37.4℃, 证明了压电风扇是一个具有较好竞争力的LED热管理方法。

传统的对流散热方式难以满足大功率UV-LED印刷灯的热设计要求, 本文设计出一种热管加风冷翅片的散热方案, 通过仿真模拟和实验测试, 对比分析了模拟和实验下的芯片结温值和热沉到环境热阻值等结果, 满足散热系统设计要求, 对大功率UV-LED印刷灯强制对流散热系统的实际应用具有一定的指导意义。

1 方案设计

1.1 传热过程分析

图1为UV-LED灯芯片与基板及散热器的结构示意图。为了增大出光功率, 基板上一般封装多颗裸芯片, 采用阵列式分布, 因芯片向上传导的热阻较大, 故芯片向上近似为绝热。UV-LED灯芯片PN结到环境的热阻网络如图2所示, 为简化计算, 各单颗裸芯片的结温统一用Tj表示:

根据传热方程式:

由于Rj1、Rj2……Rjn是并联热阻, 故

故结温

其中, Φ为芯片的散热总功率, Rj1、Rj2……Rjn为单颗芯片的内热阻, R2为上铜层的热阻, R3为氮化铝基板的热阻, R4为下铜层的热阻, R5为导热胶的热阻, R6为散热器的热阻。

由传热方程可知, 在芯片散热总功率Φ和环境温度Ta一定的条件下, 芯片结温Tj与R总呈正比关系, R总增大, Tj也随之增大。通常, 芯片内热阻为定值, 相比其它热阻, 散热器的热阻是影响芯片结温Tj的关键因素。因此, 降低散热器的热阻, 可使芯片最高结温也随之降低, 保持在合理范围内, 从而满足设计的要求。

1.2 方案模型设计

UV-LED印刷灯是利用光固化原理, 通过光化学反应干燥油墨的, 其紫外光出功率密度越大, 固化深度和速度也随之增加, 因而印刷效果也越好。

本文选用的大功率UV-LED印刷灯, 其设计要求主要包含以下几点:1.芯片结温控制在110℃以下[6,7,8];2.保证出光窗口足够出光功率;3.灯具整体尺寸不能很大;4.控制产品成本。

该大功率UV-LED芯片采用阵列式分布, 共120颗, 每颗芯片功率最大为3W, 在工作过程中, 芯片发光效率为1/3, 所以每颗发热功率最大为2 W, 总的发热功率为240W。

在基板尺寸较小的情况下, 封装120颗芯片, 如此高密度的排布, 导致单位面积上的热流密度升高很快, 若未能进行有效散热措施, 芯片的结温会迅速升高, 严重影响其工作性能和寿命。传统的自然对流, 采用单一散热方式, 结构简单, 成本较低, 可靠性较高, 比较适合功率不大的散热系统, 但其热阻偏大, UV-LED阵列分布产生的热量易在局部聚集生成“热点”, 使芯片结温升高, 难以满足散热要求。因此, 大功率UV-LED印刷灯散热系统越来越多的采用强制对流散热方式, 例如风冷翅片的散热方式, 取得了较好的散热效果。

热管是一种高效导热器件, 具有较好的传热和等温性能, 其充分利用了液体的蒸发与凝结来传递热量。热传导原理与致冷介质的快速热传递性质使热管具备了超高的导热能力, 其导热系数远远超过已知的任何金属。所以, 将热管散热方式应用在大功率UV-LED印刷灯散热系统中, 可有效降低传热过程热阻, 消除“热点”, 降低芯片结温, 保持散热面温度均匀[9,10]。

因此, 本文针对大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求, 在传统风冷翅片的基础上, 结合实际应用, 设计出热管加风冷翅片的散热方案, 其结构如图3所示。

此散热系统安装在一矩形外壳中, 翅片采用紫铜, 两只轴流风扇光源对面侧进风, 外壳上靠近光源面的四个侧面上配有出风口, 热管沿基板长边等间距布置成两组, 其中一端焊接在铜板上, 另一端以不同高度穿铜翅片而出。

2 仿真模拟与结果分析

2.1 仿真模拟

利用热分析软件, 设置求解器、计算模型、材料属性、边界条件等参数, 对散热模型进行仿真模拟计算。为监测分析最高结温及基板温度分布的均匀性, 需在基板上芯片表面选取若干监测点。本文在芯片表面不同位置分别设置了5个温度监测点, 如图4所示。

2.2 结果分析

经过模拟计算, 得到芯片表面监测点温度, 如表1所示。热沉温度为63.3℃, 环境温度35.0℃。由表1可知, 各个芯片结温在110℃以下, 且有较大余量, 因此该模型散热性能较好, 满足结温要求。另外, 根据表1, 从热沉到环境的热阻, 热阻较小。

对计算结果进行后处理, 得到温度梯度分布云图及流场分布图, 如图5和图6所示。由图5和图6可知, 热量大部集中在基板部分, 中心区域芯片温度略高于边缘区域芯片温度, 翅片与基板间的温差较小, 整个温度分布较为均匀, 散热模型的导热性能良好;由模拟流场分布图可知, 整个空气流动较为顺畅, 内部热气流能及时散发, 不影响整体散热效果。

3 实验测试与结果分析

3.1 实验测试

热测试是散热系统设计后期的一个重要工作, 通过实测温度分布等参数, 与热分析软件仿真结果进行对比, 两者互为验证, 使热分析数据更为准确, 热性能评估更为全面。

图7是实验样品散热模组整体图。热管与铜板间采用焊接的连接方式。芯片基板与铜板间采用相变导热垫片连接。为了增大界面间压力, 减少界面间空气隙, 降低接触热阻, 基板采用螺栓压紧。环境温度为17.2℃, 风扇电流I为0.4A, 电压U为12.7V。采用Agilent34970A温度采集仪和6根直径为0.1mm的铜-康铜热电偶, 实时读取所测温度数值并监控各点温度变化趋势。温度采集仪有20通道多路转换器模块, 最高扫描率250通道/秒, 设定每组的采集间隔为10s。6根热电偶分别固定在6个测温部位:芯片Tj1、芯片Tj2、氮化铝表面T3、热沉铜板表面T4、散热翅片表面T5、热管表面T6。芯片表面测试温度点分布如图8所示。为了更直观地观察散热模组的温度分布, 采用FlukeTi20红外热像仪拍摄不同输入功率下模组温度稳定时的温度分布图。

3.2 结果分析

通过调节电源输入, 控制芯片功率, 进行7组不同功率下的实验测试。假设芯片发热效率为85%, 测试结果如表2所示。

由表2可知,

1) 第一组和第二组实验, 即当输入功率为133.6 W和170.3W时, 氮化铝表面温度比铜板表面温度低, 且差值较大, 这是由于相变导热垫片的相变融化温度为55℃, 此时输入功率不大, 相变导热垫片温度较低, 尚未达到其相变温度, 没有完全融化, 其导热性能未能得到充分发挥, 此时实验尚未达到稳定状态。

随之功率的增加, 当输入功率为211.0W时, 氮化铝表面温度即开始高于热沉铜板表面温度, 当输入功率达到292.6W后, 两者温差维持在1.7℃—1.8℃左右, 即从第三组实验开始, 实验达到稳定状态, 经计算, 热沉热阻值在0.151K/W至0.157K/W之间, 比仿真模拟结果0.118K/W略大, 在允许误差范围内。

2) 由于实验中采用调节电源控制输入功率, 芯片发热效率为85%, 加之一些不确定因素, 因此很难将芯片的发热功率精确控制在240W (与仿真模拟中的功率相同) 。为了更好地将实验结果与仿真模拟进行对照, 从第三组实验 (稳定状态) 开始, 根据各组实验中得到的功率和温度值, 推出当发热功率为240W时的芯片和铜板 (热沉) 的温度值, 与仿真模拟值相比有所增大, 考虑到误差等因素, 满足散热系统的设计要求。

另外, 通过观察红外热像仪拍摄的散热模组温度分布图, 可知整个散热面温度分布较为均匀, 与温度采集仪所测温度的变化趋势吻合, 与仿真模拟结果是保持一致的。

综上, 通过对散热模组进行多组的实验测试, 分析温度分布和热阻等相关实验结果, 并与仿真模拟进行对比, 得出实验测试与仿真模拟有较好的一致性, 实验测试较为准确可行, 可见该热管加风冷翅片的散热方案满足大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求。

4 结论

针对大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求, 本文设计了热管加风冷翅片的散热方案, 并分别进行了仿真模拟和实验测试研究, 结论如下:

1) 热管加风冷翅片的散热模型具有较好的散热性能和等温性能, 有效满足大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求。

2) 散热模型的仿真模拟和实验测试结果具有较好的一致性, 该方案对大功率UV-LED印刷灯强制对流散热系统的实际应用具有一定的指导意义。

参考文献

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LED散热情况研究篇4

热量传递有热传递、热对流和热辐射三种方式,在LED路灯散热系统里,热传导效果最佳,对流次之,辐射较差[1]。在设计LED灯具散热机构时,首先应考虑LED灯具的使用环境,也即在繁华的马路上,恶劣的户外环境,8~12 m高的灯杆上[2],在这种使用环境中,空腔型结构比翅片式散热结构具有明显优势,可避免灰尘、树叶、鸟粪等杂物长期沉积在散热片上造成的阻热作用。

在LED散热结构的优化研究中,Vitor A.F.Co⁃sata等[3]运用CFX研究了散热器的长度、宽度、高度对LED热阻和结温的影响,并进行了优化。梁才航等[4]运用Ansys Icepak软件研究了LED散热器的翅片高度、厚度、间距对LED结温的影响,结合金属热强度指标对各几何参数进行优化。本文通过实验数据和速度场、温度场模拟数据分析方法,对空腔型LED路灯散热结构系统进行分析,探索改良散热结构方案,对行业内共同面对的问题进行探索。

1 空腔型LED路灯模型各部件的基本参数

(1)支承散热板:其外形尺寸为526 mm×586 mm×8.3 mm,支撑散热板几何结构见图1。用以安装反光器与固定芯片。后续讨论中热物性参数采用标准铝热导率,即237 W/(m·K)。

(2)散热边框:挤拉铝,外表面有凹凸槽,厚度为2.5 mm。导热参数选用为AA6063型合金,其热导率为201 W/(m·K)。吸热板与散热边框采用铝条焊接,三处正反面全焊接。

(3)芯片数据:美国普瑞芯片(Bridgelux)。芯片光效是120 lm/W,其工作过程中有约10%~15%的电能转换成光能,结温最大为150℃,最大电流700 m A,40 W集成热阻为10℃/40 W。

(4)散热过程中其他部分材料的热物性参数:

导热硅胶导热系数:3.0 W/(m·K);

空气导热系数:0.023 W/(m·K)。

2空腔型路灯散热系统实验情况分析

空腔型LED路灯的散热性能通过工作条件下的实验来进行测试分析,实验分为基准实验与稳态实验两个部分。

2.1基准实验

基准实验主要通过改进优化现有的实验装置,对该实验测试系统进行测试与调试并对空腔型LED路灯进行基准实验,以提供相应的参考数据。

实验包括测试系统校验,基准数据采集,启动数据采集,运行数据采集等部分。实验的测试装置经过改进与重新标定,由20支热电阻、2支热电偶与2支温度计组成,测量考虑其相互验证的作用,增加其准确度。

温度测量部位包括:LED芯片集成铜基板上侧弧形处,铜铝交界面(芯片与支承散热板的接触面),支承散热铝板,边框,驱动电源,上灯盖等。

各温度测量点分布如图2所示,温度计测量的参数是稳定后的实验房间内温度。

实验所得结果汇总如表1。

由于LED芯片在实际工作中电压等参数并不是标准状态下的额定工作参数,所以在进行测试4与测试5温度数据采集的同时额外了采集了LED芯片与驱动实际电压、电流等工作参数。通过对实际工作中LED芯片的工作参数的测量,精确地获取发光芯片的实际工作状况,并为后续的数值模拟提供实际工作数据。

2.2 测试原理

空腔型LED路灯工作电路以及测量电路如图3所示。

2.3 空腔型LED路灯工作参数

表格2为测试5与测试6中获取的空腔型LED路灯工作的实际电路参数结果汇总图,测量装置为功率计与万用表。

2.4 实验结果分析

(1)空腔型LED路灯有着较好的热适应能力,在周围换热条件较差的环境下仍能满足节温低于90℃。

(2)该空腔型路灯的散热系统通畅。外界扰动源的影响会迅速地反映在各个测量点的温度上的变化上,该散热系统基本满足该功率路灯的散热要求;

(3)散热系统通道中芯片与支承散热板间、支承散热板与灯壳(侧框)连接处、灯体外壳与外界空气间热阻较大,可以针对其做出一些优化改进。

2.5 在现有条件下的相关改进措施

(1)减少热阻

实验中芯片与铝制支承板之间通过导热硅胶进行粘合,LED路灯工作产生的高温会使得导热硅胶结构发生变化,使得该处热阻剧烈增加,严重影响路灯的散热能力。支承散热板与散热边框采用铝条焊接,三处正反面全焊接,焊接效果难以保证,在支承散热板与边框接触处带来比较大的热阻。

改进措施:采用掺混粘度较低的脂类有机物的方式,保证导热硅胶在高温下不变质;锡的导热效果与物理特性远优于导热硅胶,可以考虑采用锡片焊的工艺代替涂抹导热硅胶的工艺。(锡热导率67 W/(m·K));采用新型石墨片代替导热硅胶来连接支承散热板与芯片;改进边框结构与支承散热板的连接方式,通过开槽等方式将内部支承散热板于边框开槽内焊接,减少传热过程热阻数量。

(2)增加热辐射

实验中所采用的空腔型LED路灯的空腔内部与外部表面均为光滑表面,不利于辐射换热的进行。

改进措施:采用喷涂热量辐射散热涂层,借以形成良好的热反射面,减小空腔部分的散热热阻;在灯体外壳处涂抹适当涂层,增进壳体与环境间的辐射换热。

3 空腔型LED路灯的内部热性能模拟分析

空腔型灯具的特点是LED热量由腔体中间的导热板向四周肋片导热,热量通过腔体内的自然对流(或空气层的纯导热)和热辐射方式向外传递,热量到达灯具外壳表面,再通过对流和热辐射方式散失到大气环境中[5]。针对空腔型LED路灯的特点,结合前期实验获取的数据,本文主要针对空腔内外空气的速度场、温度场以及LED芯片的支承散热板上的温度场分布进行数值模拟,相关计算结果如下。

3.1 空腔内空气流动传热分析

空腔内的散热通道为:支承散热板与空腔内空气的自然对流,空腔内空气的流动与传热,空气与灯体上端盖的自然对流。空腔内空气在以自然对流为主要换热方式的同时发生辐射换热,由于辐射过程传递热量较小,不在模拟部分讨论。

空腔内空气在芯片支承散热板的加热下,自发产生自然对流,强化空腔内部的热量传递过程,促进了内部对流。数值模拟采用的参数设定均由参考实验数据与相关经验数据取得,数值计算参考相关工程案例设置安全系数。

相关区域定义与参数设定如图4和表3。

图5为数值模拟结果,空腔型LED路灯新的电驱动安装方式会给空腔内流场带来一定的影响。上图为考虑驱动电源散热时空腔内的空气流场,即实际工作中空腔内温度分布以及流场分布;下图为不考虑驱动电源散热时空腔内空气的流场,即理想情况下空腔内流场分布。

由两者对比可以看到:电源驱动对于空腔内空气流场有着一定的影响,电源驱动产生的热量使得空腔内流场形态发生变形,内部自然对流旋流的数量和范围都发生明显变化,对空腔内部的热量传递产生影响。

3.2 空腔外空气流动传热分析

路灯外侧的散热通道为大空间内的自然对流,模拟采用静止的空气进行模拟(即无风等扰流源存在的情况)。

数值模拟的参数设定如表4。

所得的空腔型路灯外围区域温度分布场如图6。

由图6可以看出,在不存在外界扰流源(风等条件)的情况下,空腔型LED路灯外侧温度场是比较均匀的,外部空气产生较大温度变化的区域较小,外壳表面激发的自然对流带来的强化效应并不明显,该情况可以视作最恶劣工况来对产品进行实验验证。

3.3 支承散热板传热分析

支承散热板为芯片的固定连接件,其表面的温度场分布对空腔内自然对流强度以及后续散热通道支路都有着较大的影响。支承散热板内热量传递过程主要是:由四个芯片固定处吸收热量,支撑板内部热传导,同时与表面的自然对流热量输出过程相互耦合,产生不均匀的温度场,从而分配散热通道各支路的热量分布。

数值模拟的初始参数设定参考实验数据与相关经验数据取得,设定考虑安全系数,具备一定的广泛适应性,相关参数设定如表5。

支承散热板的温度场模拟结果如图7。

由模拟结果可以看出:铝制支承散热板内温度分布具有不均匀性,温差可以达到6℃,温度场分布大致呈现出与芯片接触区域温度最高,然后向四周辐散开的趋势。

3.4 基于模拟结果分析的改进建议

(1)优化驱动电源位置

关于电源驱动的放置位置,将其固定在灯尾外壳内侧的方案较直接将其固定于支承散热板上有着明显的散热方面的优势。此外可以尝试将电源驱动放置于支承散热板与边框间,通过实验进行散热性能对比,以确定最优化的电驱动放置方式。

(2)充分利用换热面积

路灯外壳与环境间的热量传递是散热系统的重要部分,空腔型LED路灯有着天然的换热表面积大的优势(空腔型LED灯散热面积50 cm2/W)。

(3)改进支承散热板设计

支承散热板的厚度不宜过厚,由于铝的导热率较高,将铝片厚度增大的方式实质是通过增加其与边框的焊接接触面积来增加散热效果。但这样不利于产品成本控制,建议可以通过实验部分的第二点建议进行优化改进分析,或者在工艺满足的情况下,通过减小支撑板厚度,将其做成“凹形”或“工”字形的结构形式,增加与边框的焊接接触面积。

(4)散热器设计改进方案

充分考虑自然对流的特点。自然对流产生的边界层比较厚,故而肋间距太小会带来相邻肋间的热边界层交叉,影响肋表面的自然对流。一般情况下,利用自然对流散热器的肋间距应大于12 mm,散热器肋高低于10 mm,一般可按肋间距大于等于1.2倍肋高的原则来确定散热器高度。

保证有效散热面积,通常1 W大功率LED散热片的有效散热表面积总和大于等于50~60 cm2,3 W大于等于150 cm2,尽量保证散热片温度不超过60℃,不能机械地理解为达到该散热面积就可满足设计要求[6]。

4 LED灯寿命与出光率分析

根据实验测试数据,结合表6,图8,对测试所得结果寿命与出光率的理论分析见表7。

5 结束语

本文对空腔型LED路灯散热结构系统进行实验分析和数据模拟分析,分析过程涉及对导热、自然对流、热辐射的分析,提出综合优化方案,对于LED路灯散热结构设计分析具有重要指导意义。

参考文献

[1]刘红,赵芹,蒋兰芳,等.集成式大功率LED路灯散热器的结构设计[J].电子器件,2010,35(4):481-484.

[2]孟庆云.LED路灯散热结构分析[EB/OL].http://wenkw baidu.com,2010-12-08.

[3]VITOR A.F.C,ANTONIO M.C.L,Improved radial heatsink for led lamp cooling[J].Applied Thermal Engi-neering,2014(70):131-138.

[4]梁才航,杨永旺,何壮.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报,2016(1):124-128.