牛萍娟，王景祥，2，張建新，吳稀勇，王衛(wèi)星，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；3.天津東義鎂制品股份有限公司，天津 301721）

LED工礦燈鎂合金散熱器的性能分析

牛萍娟1，王景祥1，2，張建新1，吳稀勇3，王衛(wèi)星1，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；3.天津東義鎂制品股份有限公司，天津 301721）

為實(shí)現(xiàn)大功率LED工礦燈散熱器結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)需求，制作了一款太陽花型鎂合金材質(zhì)散熱器，并采用實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬兩種方式，與相同結(jié)構(gòu)的鋁合金材質(zhì)散熱器進(jìn)行了散熱性能的對(duì)比分析.結(jié)果表明：在相同工作條件下，安裝鎂合金散熱器的LED工礦燈最高溫度略高，但升溫速率較快，且達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時(shí)間較短；鎂合金散熱器肋片間空氣的自然對(duì)流速度較大，有助于提高散熱器的綜合傳熱效率.因此，鎂合金可替代鋁合金，用于制備大功率LED散熱器.

LED工礦燈；鎂合金；鋁合金；數(shù)值模擬

與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源相比，LED固體光源具有發(fā)光效率高、壽命長、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在綠色照明領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2].在當(dāng)前技術(shù)水平下，LED的光電轉(zhuǎn)換率能達(dá)到15%～35%，其余均轉(zhuǎn)換成熱能，從而使LED芯片結(jié)溫升高[2-3]，將導(dǎo)致如：光輸出效率降低、壽命縮短、芯片老化加快、色溫和顯色指數(shù)發(fā)生變化及器件穩(wěn)定性降低等問題[4-5].因此，如何提高LED燈具的散熱問題成為了實(shí)現(xiàn)LED大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的研究重點(diǎn).目前，大功率LED的熱量通常由散熱底部傳導(dǎo)到鋁基電路板電路上，再經(jīng)過散熱器經(jīng)空氣熱對(duì)流傳遞到周圍的環(huán)境中去，從而降低芯片的溫度[6-7].因此選擇合理的散熱器對(duì)LED芯片結(jié)溫的降低具有重要意義.目前LED散熱器的材質(zhì)多以鋁合金為主，且有少量的銅合金.然而，隨著銅和鋁材料成本的升高，鎂合金材料的競爭力逐漸增強(qiáng)，且在制造成本上，鎂的熔點(diǎn)與鋁相近，而鎂的熔化和凝固潛熱約為鋁的2/3，在制造過程中需要熱量少，生產(chǎn)效率高；在導(dǎo)熱方面，純鎂的導(dǎo)熱率約為鋁的70%，鎂合金的散熱系數(shù)略高于鋁合金，兩者導(dǎo)熱能力相當(dāng)；在輕量化應(yīng)用方面，鎂合金的密度小，采用鎂合金材料可以有效降低承重，減輕負(fù)荷[8].李曉波等[9]采用穩(wěn)態(tài)測量的方法研究了鎂合金、鋁合金及紫銅在自然散熱條件下的溫度變化，結(jié)果顯示鎂合金的容熱能力小于鋁合金，自然冷卻時(shí)的降溫速度更快，散熱更迅速. Brown等[10]采用熱電偶測量相同結(jié)構(gòu)尺寸的鎂合金與鋁合金散熱器在不同空氣速率下的溫度分布，結(jié)果表明：在空氣速率較低時(shí)，兩者的散熱性能相似；在空氣速率較高時(shí)，鎂合金的熱傳導(dǎo)率比鋁合金低約5%～10%.本文針對(duì)LED工礦燈及自然對(duì)流的特點(diǎn)，綜合考慮散熱器的散熱性能和質(zhì)量，制作了一款太陽花型鎂合金材質(zhì)的散熱器.采用實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別對(duì)自然對(duì)流下安裝鎂合金與鋁合金散熱器的LED工礦燈的整體散熱性能進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 散熱器溫度測試

本實(shí)驗(yàn)以LED工礦燈散熱模組為研究對(duì)象，其中包括LED光源、鋁基電路板（PCB）及散熱器.LED光源由24顆Cree公司XLamp XP-G型單一封裝LED芯片陣列組成.PCB板由銅基板、介質(zhì)層和覆銅層組成，銅基板尺寸為40 mm×40 mm×1.5 mm，介質(zhì)層厚度為80 μm，覆銅層厚度為70 μm.相同幾何結(jié)構(gòu)的鎂合金與鋁合金材質(zhì)的散熱器，分別由4個(gè)主肋片和24個(gè)次肋片組成，主要結(jié)構(gòu)尺寸（mm）如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)用散熱器尺寸Fig.1 Size of heat sink in experiment

為測試工礦燈散熱模組整體的散熱性能，搭建由工礦燈散熱模組、電源、多路溫度記錄儀等組成的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.2 Experiment system

LED在實(shí)際應(yīng)用中需加直流供電，實(shí)驗(yàn)中采用DH1716A-14型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流程控電源進(jìn)行供電，輸出電流控制在3 A；LED兩端的電流值和電壓值分別由兩塊萬用表測得；利用遠(yuǎn)方公司SIS-2_1.5 m型的積分球模擬密閉測試環(huán)境，以減小環(huán)境變化的影響，同時(shí)可得到LED光源在各時(shí)刻的光功率值；實(shí)驗(yàn)中采用TP9016U型多路溫度記錄儀的16路通道記錄各測試點(diǎn)的瞬態(tài)溫度值，其中1～15路熱電偶利用高溫瞬干膠分別固定在散熱器頂面與底面的主肋片與次肋片、側(cè)面及PCB板表面，第16路熱電偶空置記錄積分球內(nèi)空氣溫度，各測試點(diǎn)分布如圖3所示.整個(gè)散熱模組采取自然對(duì)流散熱，將LED散熱模組懸置在積分球內(nèi)，使其向下出光，待溫度曲線趨于平穩(wěn)后方可停止實(shí)驗(yàn).

圖3 散熱器測試點(diǎn)分布Fig.3 Test point distribution of heat sink

1.2 散熱器溫度變化情況

兩種散熱器的測試點(diǎn)溫度隨測試時(shí)間變化的曲線如圖4所示.

由圖4可以看出，隨著熱量的不斷積累，溫度呈不斷上升的趨勢，所有測試點(diǎn)溫度在3 500 s左右不再有上升趨勢只有很微小的波動(dòng)，所以可認(rèn)為整個(gè)散熱模組在此時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài).此時(shí)萬用表測得鎂合金與鋁合金散熱模組的穩(wěn)態(tài)電壓分別為35.51 V和35.97 V；積分球測得光功率分別為24.45 W和25.86 W.為減小測量誤差，取溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)直至測量結(jié)束所有溫度的平均值作為該測量點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)值，鎂合金與鋁合金散熱模組中離芯片最近的測試點(diǎn)1，其溫度分別為78.5℃和70.4℃，遠(yuǎn)低于芯片的極限溫度，說明該散熱模組可以正常穩(wěn)定工作.

圖4 各測試點(diǎn)瞬態(tài)溫度值Fig.4 Transient temperature of each point

為分析實(shí)驗(yàn)過程中鎂合金與鋁合金散熱模組的溫度變化速率，取測試點(diǎn)1處所得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的溫度變化速率ν，定義式如下：

式中：Ti和Tj分別為時(shí)間ti和tj時(shí)刻的溫度.

圖5所示為計(jì)算間隔時(shí)間為200 s的溫度變化速率.

圖5 單位時(shí)間溫度變化Fig.5 Temperature changes in Unit time

由圖5可以看出，初始時(shí)溫度變化速率迅速降低，并隨著時(shí)間的積累逐漸趨于平緩，最后趨近于零.這是由于通電后熱源溫度迅速升高，初始時(shí)熱源與散熱器之間的溫差較大；隨著熱量的累積，溫差逐漸減小，單位時(shí)間溫度變化速率逐漸降低；在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度只有微小變化，此時(shí)速率趨近于零.鎂合金散熱器在初始時(shí)升溫速率高于鋁合金散熱器，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間（4 000 s）低于鋁合金散熱器（4 600 s）.這是由于相同幾何結(jié)構(gòu)的散熱器，鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量傳播速率慢，升溫速率快.研究表明鎂合金相比鋁合金可以更迅速地達(dá)到熱平衡狀態(tài).

2 數(shù)值模擬

2.1物理模型

為了分析鎂合金與鋁合金材質(zhì)的LED散熱模組的散熱性能，本文應(yīng)用Pro/E軟件依照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)散熱器進(jìn)行建模，采用Icepak專業(yè)熱分析軟件，對(duì)散熱器整體散熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬[11].在仿真中，在不影響最終仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，為了運(yùn)算的方便，進(jìn)行以下設(shè)定：

（1）假設(shè)不同部位接觸面為光滑的理想接觸，不考慮接觸熱阻的影響；

（2）假設(shè)物體邊界面的溫度、環(huán)境溫度和熱流密度為常量；

（3）將24顆LED熱源等效成相同尺寸的面熱源.

2.2 計(jì)算域的設(shè)定與材料屬性的設(shè)置

（1）計(jì)算域的設(shè)定：如圖6所示，Icepak軟件模擬仿真的計(jì)算域（Cabinet）一般設(shè)定為：重力反方向取大于2倍模型高度；重力方向取大于1倍模型高度；側(cè)面取大于 1/2倍模型寬度；計(jì)算域設(shè)定為開放（Opening）條件[12].

圖6 計(jì)算域選取示意圖Fig.6 Schematic diagram of select computation domain

（2）熱流條件：采用24個(gè)尺寸為3.5 mm×3.5 mm、功率為3.4 W的面熱源來模擬LED光源.

（3）模型中各材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示.

表1 材料導(dǎo)熱系數(shù)Tab.1 Thermal conductivity of materials

2.3 散熱器溫度分布模擬

圖7所示分別為鎂合金散熱器與鋁合金散熱器穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布圖.

圖7 散熱器溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution of heat sink

由圖7可以看出，鎂合金與鋁合金散熱模組中熱源最高溫度與散熱器最低溫度的溫差分別為32.14℃和22.22℃，鎂合金散熱模組的溫差高于鋁合金，這說明鎂合金散熱模組空氣溫差高于鋁合金，從而加快散熱器與外部空氣間的對(duì)流換熱，提高散熱器的綜合散熱效率.

2.4 空氣流速變化情況

散熱器頂部0.003 m處截面的空氣流速如圖8所示.

圖8 散熱器頂部0.003 m處截面的空氣流速變化Fig.8 Air flow velocity change of section 0.003 m above heat sink

由圖8可以看出，隨著與軸心距離的增大，肋片間的空氣自然對(duì)流流速逐漸增大，在距離超過肋片高度后空氣流速迅速升高隨后逐漸降低.這是由于距離超過肋片高度后，散熱器外部空氣沒有阻礙，散熱器外部翅片溫度比內(nèi)部溫度稍低，因此散熱器外部空氣流速比內(nèi)部流道中空氣流速要高.在散熱器內(nèi)部兩者流速變化基本相同，靠近邊緣處鎂合金散熱器空氣流速高于鋁合金散熱器，這是由于鎂合金散熱器肋片邊緣溫度與周圍空氣溫差大，加速了空氣流動(dòng).

距離軸心0.04 m處肋片法線方向的空氣流速如圖9所示.

圖9 距軸心0.04 m處肋片法線方向空氣流速變化Fig.9 Air flow velocity change along with finned normal direction in axis of 0.04 m

由圖9可以看出，在距離軸心不同距離的法線方向上，距離散熱器頂部越近空氣流速越大，這是由于散熱器流道之間的空氣受到散熱器表面翅片的加熱，熱空氣由散熱器底部逐漸上升，越靠近散熱器頂部空氣壓差越大，加快空氣流動(dòng)速度.

2.5 誤差分析

為了驗(yàn)證模型的可靠性，對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)誤差δ定義式如下：

式中：Ts為測試溫度值；TL為模擬溫度值.

圖10分別給出了鎂合金與鋁合金散熱模組的測試點(diǎn)溫度與相應(yīng)的模擬溫度及相對(duì)誤差.

圖10 測量點(diǎn)溫度與相對(duì)誤差Fig.10 Temperature and relative error of each measurement point

由圖10可以看出，從整體上看，兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的最大相對(duì)誤差分別為6.5%和8.7%，說明模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可以認(rèn)為本文構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型可靠、有效.

3 結(jié)束語

本文針對(duì)鎂合金散熱器在大功率LED中的應(yīng)用，采用試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬方法分別對(duì)一款鎂合金與鋁合金材質(zhì)的太陽花散熱器進(jìn)行整體散熱分析.由分析結(jié)果可知，相比鋁合金散熱器，鎂合金散熱器可更快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，減少功率的損耗；鎂合金散熱器頂部與底部溫差大，可加快自然對(duì)流下的空氣流速，提高散熱器的散熱效率.試驗(yàn)和模擬結(jié)果均表明，鎂合金可替代鋁合金，成為制備大功率LED散熱器的適用材料.

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Performance analysis on magnesium alloy heat sink in LED high bay lamp

NIU Ping-juan1，WANG Jing-xiang1，2，ZHANG Jian-xin1，WU Xi-yong3，WANG Wei-xing1，2
（1.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Tianjin Dongyi Magnesium Products Co Ltd，Tianjin 301721，China）

To meet the design requirements for the lightweight structure of high power LED high bay lamp heat sink，a sunflower shaped heat sink made of magnesium alloy material is fabricated.The new heat sink is compared with that made of aluminum alloy material which has the same structure in thermal performance by experimental test and numerical simulation.The results show that under the same working conditions，the LED high bay lamp on which the heat sink made of magnesium alloy has a higher maximum temperature，faster temperature rising rate and is able to reach the steady working state in a shorter time.The air velocity between the two fins of the magnesium alloy-made heat sink is larger，this helps to improve the comprehensive heat transfer efficiency of the heat sink.Therefore，as a replacement of aluminum alloy，magnesium alloy is a practicable material in the production of the high power LED heat sinks.

LED high bay lamp；magnesium alloy；aluminum alloy；numerical simulation

TN312.8

A

1671－024X（2015）02－0084－05

2014-11-17

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)金資助項(xiàng)目（13ZXCXGX31700）；天津市科技特派員項(xiàng)目（14JCTPJC00542）

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，研究方向?yàn)樾滦桶雽?dǎo)體發(fā)光器件、LED驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng). E-mail：Pjniu@hotmail.com