劉海林，吳禮剛，戴世勛* ，林萬(wàn)炯，周伯友，金小明

(1.寧波大學(xué)信息學(xué)院，浙江 寧波315211;2.寧波工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波315216;3.寧波賽爾富電子有限公司，浙江 寧波315103)

大功率LED 具有高效，節(jié)能，環(huán)保以及壽命高的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是下一代照明光源的理想替代者。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)，2011 年國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合多部委發(fā)布五年內(nèi)逐步禁止進(jìn)口、銷售普通白熾燈的公告，這給國(guó)內(nèi)LED 照明行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。目前制約國(guó)內(nèi)大功率LED 燈具發(fā)展的一個(gè)重要因素就是封裝散熱問(wèn)題，散熱問(wèn)題解決不好將導(dǎo)致器件波長(zhǎng)漂移、顏色變化、發(fā)光效率下降、燈具失效以及可靠性降低等問(wèn)題。因而解決好大功率LED 封裝過(guò)程中的散熱問(wèn)題對(duì)國(guó)內(nèi)LED 照明企業(yè)發(fā)展意義重大。

目前對(duì)大功率LED 燈具封裝散熱的研究已漸成體系，大致可分為兩大部分:LED 芯片的散熱封裝和LED 燈具外圍組件的散熱封裝研究。LED 芯片的最高溫度稱為結(jié)溫，結(jié)溫的高低往往成為衡量燈具散熱效果的尺度。對(duì)LED 芯片封裝散熱研究主要集中在LED 芯片的結(jié)構(gòu)以及電氣連接引腳的位置等方面［1－3］。對(duì)LED 燈具外圍封裝組件的散熱研究則主要從各組件包括陶瓷基板、PCB 板、導(dǎo)熱硅脂以及散熱器的材料和結(jié)構(gòu)入手展開［4－11］。在材料導(dǎo)熱性能、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)溫高低以及加工成本多種因素之間尋求一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)。然而以上研究的前提均假定LED 燈具是在固定照射角下達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的。在實(shí)際的照明應(yīng)用中，為了達(dá)到理想的照明效果，會(huì)將LED 燈具設(shè)計(jì)成照射角度可調(diào)的結(jié)構(gòu)。燈具在自然對(duì)流下熱量的傳遞與換熱表面的形狀、大小、換熱表面與流體運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位置以及換熱表面的狀態(tài)都有著密不可分的關(guān)系［12］，因此不同的照射角度下的燈具散熱效果截然不同。目前國(guó)內(nèi)外主流科技文獻(xiàn)在照射角度對(duì)大功率LED 燈具散熱的影響方面鮮有報(bào)道。

本文使用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 對(duì)一款大功率LED 筒燈進(jìn)行建模仿真，進(jìn)而研究其搭配3 種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)散熱器在不同照射角度下的散熱效果。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)定為自然對(duì)流，大氣壓強(qiáng)為1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度設(shè)置為35 ℃。重力方向?yàn)閆 軸正向，如圖1所示我們定義此時(shí)豎直向下照射時(shí)的照射角為0°角，若燈具繞Y 軸方向旋轉(zhuǎn)30°即照射角為30°，對(duì)比3 種結(jié)構(gòu)燈具在照射角0° ～90°時(shí)的散熱效果，找出每種結(jié)構(gòu)的最佳照射角以及適合多種角度照射的最佳燈具結(jié)構(gòu)。本研究中所涉及的材料參數(shù)如表1 所示。

圖1 搭配輻射狀散熱器LED 筒燈建模示意圖

表1 封裝材料特性

1 基本參數(shù)的設(shè)定

建模元件尺寸為:LED 芯片1.2 mm×1.2 mm×0.1 mm、陶瓷基板4.5 mm×3 mm×0.5 mm、燈罩、PCB板為環(huán)形，內(nèi)徑ra為3.5 mm，外徑rb為19 mm，厚度為1.5 mm。散熱器分為3 種結(jié)構(gòu):輻射狀，平板狀、以及柱狀，3 種散熱器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，基座厚度d 均為2 mm，輻射狀散熱器的肋片厚度d1為2 mm，高度h1為39.5 mm;平板狀散熱器肋片厚度d2為2 mm，間距L 為4mm，高度h2為39.5 mm;柱狀散熱器肋片尺寸2 mm×2 mm×39.5 mm。燈具模型加圓柱形空氣包圍框，如圖1 所示，半徑為R 為80 mm，高度為H 為290 mm。為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，對(duì)所建模型均做1/2對(duì)稱。

圖2 三款常見(jiàn)LED 筒燈散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

仿真參數(shù):每顆LED 芯片的發(fā)熱功率設(shè)置為2 W，空氣流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為層流，采用浮力驅(qū)動(dòng)。環(huán)境溫度設(shè)置為35 ℃，大氣壓強(qiáng)為1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，重力加速度為9.8 m/s2。

2 仿真的有限元公式

Fluent 求解方程如下:

(1)連續(xù)性方程

(2)動(dòng)量方程

X 方向:

Y 方向:

Z 方向:

(3)能量方程

固體傳熱方程:

(4)流體傳熱方程:

(5)對(duì)流傳熱(牛頓冷卻)公式:

其中u、v 和w 分別表示流體在x、y 和z 方向的速度分量，ρ 和T 分別表示流體密度與溫度。g 為重力加速度，β 為流體的熱膨脹系數(shù)，Cp為比熱容，k 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，Q'為芯片的發(fā)熱功率，α 為熱擴(kuò)散系數(shù)，φ為熱流量，h 為對(duì)流換熱系數(shù)，A 為表面積，tw為固體表面溫度，tf為流體溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 照射角度對(duì)搭配輻射狀散熱器LED 筒燈散熱效果的影響

圖3 為搭配輻射狀散熱器的LED 筒燈在不同照射角下的溫度場(chǎng)分布圖，對(duì)比不同照射角下的結(jié)溫我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)溫呈現(xiàn)隨照射角度的增大而升高的趨勢(shì)，如圖4 所示。但在0° ～30°范圍內(nèi)結(jié)溫維持在97 ℃左右，變化不明顯，而從30°開始結(jié)溫明顯升高，照射角為90°時(shí)具有最高溫度110 ℃。分析原因主要是當(dāng)照射角度增大時(shí)，散熱器在空氣上升方向也就是－Z 方向上會(huì)形成一個(gè)阻擋面，使得空氣流動(dòng)受阻，降低了散熱器表面的對(duì)流換熱系數(shù)，其中計(jì)算對(duì)流化熱系數(shù)時(shí)的流體溫度tf參考值設(shè)置為空氣入口溫度35 ℃。散熱器采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較高的鋁質(zhì)材料，故表面溫度tw在不同照射角下基本不變，(tw－tf)近似為定值，又因?yàn)樯崞鞅砻娣eA 為定值，根據(jù)牛頓冷卻方程可知，對(duì)流換熱系數(shù)的降低會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散熱流量的減少，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)溫升高。照射角低于30°時(shí)這個(gè)阻擋面面積變化不大，而從30°開始阻擋作用明顯增強(qiáng)。

圖3 搭配輻射狀散熱器LED 筒燈不同照射角下的溫度場(chǎng)分布

圖4 搭配輻射狀散熱器LED 筒燈結(jié)溫與照射角度關(guān)系圖

3.2 照射角度對(duì)搭配平板狀散熱器LED 筒燈散熱效果的影響

如圖5 所示，搭配平板狀散熱器LED 筒燈在繞Y 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)照射和繞X 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)照射時(shí)具有完全不同的散熱效果:

如圖5(a)所示搭配平板狀散熱器LED 筒燈繞Y 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)照射時(shí)，結(jié)溫隨照射角的增大而明顯升高，如圖6 所示，在0° ～30°時(shí)結(jié)溫維持在94 ℃左右，變化不明顯，但從30°開始結(jié)溫溫升幅度較大，在90°時(shí)達(dá)到最高溫度116 ℃，較搭配輻射狀散熱器時(shí)的最高結(jié)溫高出6 ℃。

圖5 搭配平板狀散熱器兩種不同轉(zhuǎn)動(dòng)照射示意圖

圖6 搭配平板狀散熱器LED 筒燈結(jié)溫與繞Y 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)照射角關(guān)系圖

如圖5(b)所示搭配平板狀散熱器LED 筒燈繞X 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)照射時(shí)，結(jié)溫隨照射角的增大變化不大，基本維持在94 ℃～95 ℃之間，如圖7 所示。

圖7 搭配平板狀散熱器LED 筒燈結(jié)溫與繞Y 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)照射角關(guān)系圖

出現(xiàn)以上兩種不同散熱效果是因?yàn)楫?dāng)LED 筒燈繞X 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平板狀散熱器的肋片對(duì)上升空氣流的有效阻擋面積并未明顯增大，肋片間能夠始終保證順暢的空氣流動(dòng)。而繞Y 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)照射時(shí)，散熱器肋片在空氣流上升方向上的有效阻擋面積是隨照射角度的增大而增大的，肋片的阻擋作用使得肋片間的空氣流動(dòng)受阻，降低了散熱器表面與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)牛頓冷卻方程可知，對(duì)流換熱系數(shù)的降低會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散熱流量的減少，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)溫的急劇升高。

3.3 照射角度對(duì)搭配柱狀散熱器LED 筒燈散熱效果的影響

圖8 為搭配柱狀散熱器LED 筒燈照射角度與結(jié)溫的關(guān)系圖，從圖中可以看出，結(jié)溫隨照射角度的增大是升高的，但是溫升并不明顯，結(jié)溫維持在94.2 ℃～98.4 ℃之間最大溫差僅有4.2 ℃。這主要是因?yàn)殡S著照射角度的增大，柱狀散熱器肋片會(huì)在空氣流動(dòng)方向上即－Z 軸方向上形成一個(gè)阻擋面，使得肋片間空氣流動(dòng)受阻，但是柱狀散熱器肋片的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生旁通現(xiàn)象，空氣仍可以從四面八方進(jìn)入肋片之間流動(dòng)，因此空氣在肋片間的流速并未明顯減小，即結(jié)溫也沒(méi)有明顯升高。

圖8 搭配柱狀散熱器LED 筒燈結(jié)溫與照射角度關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)搭配輻射狀散熱器的LED 筒燈只適合小角度照射，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)將照射角度控制在30°以下。

(2)搭配平板狀散熱器的LED 筒燈在低于30°的小角度照射時(shí)，可以任意設(shè)計(jì)其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，但是在高于30°的大角度照射時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)成文中繞X 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，

(3)搭配柱狀散熱器的LED 筒燈在多角度照射的情況下具有較好的散熱效果，在不考慮散熱器外觀以及加工成本的前提，多角度照射的LED 筒燈散熱器應(yīng)首選柱狀結(jié)構(gòu)。

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