基于Flow-Simulation的LED照明燈具基于輻射散熱的簡化研究實驗

1、基于Flow Simulation的LED照明燈具基于輻射散熱的簡化研究實驗LED照明燈具基于輻射散熱的簡化研究實驗摘要：本文從黑體輻射定律出發(fā)，基于商業(yè)CFD軟件SolidWorks Flow Simulation模擬計算，對某型LED燈具進行簡化設(shè)計，在保證燈具性能和可靠性的前提下大大降低燈具的重量、加工難度及成本。關(guān)鍵詞：黑體 表面輻射率 LED 散熱器 CFD SolidWorks Flow Simulation 對流LED Lamps Heat Sink Simplified by Thermal Radiation Research And TestAbstract: Based

2、on thermal radiation , use the CFD soft ware SolidWorks Flow Simulation to calculate the model . Found the way to simplified the heat sink , reduce the weight and cost.Key Works: Black Body Surface Radiativity LED Heat Sink CFD SolidWorks Flow Simulation Convection1. 引言LED以其低功耗，長壽命和高亮度等特點備受矚目，正逐漸替代白

3、熾燈和熒光管而成為第三代照明方式。各主要科技大國已經(jīng)將LED照明項目納入其發(fā)展規(guī)劃。但LED要真正成為主流照明體，光學(xué)和散熱問題必須解決。目前LED燈具的光效率大概為60lm/W，和普通T5系列的節(jié)能燈差不多，少數(shù)能達到8590lm/W，離真正意義上的節(jié)能還有很長的路。用于LED發(fā)光的能量只占輸入能量的15%左右，其余85%以熱能的方式散發(fā)，由于LED體積小，內(nèi)部集成度高造成發(fā)熱量集中，若外部散熱條件不好，必然會使節(jié)溫上升，產(chǎn)生色溫漂移、加速芯片老化，縮短產(chǎn)品壽命。因此，散熱成為影響LED產(chǎn)品壽命及可靠性最關(guān)鍵的因素。在考慮LED散熱問題時，主要有兩個途徑：首先，LED向散熱器的熱傳導(dǎo)過程；其

4、次，散熱器在LED傳熱時達到穩(wěn)態(tài)時向外界的散熱過程對流與輻射。本文利用商業(yè)CFD軟件SolidWorks Flow Simulation對某型燈具設(shè)計進行簡化模擬分析，一改之前的模型樣機測試，降低開發(fā)成本和風(fēng)險的同時，大大縮短了模型樣機制作的漫長周期，實現(xiàn)CAD與CAE的有機結(jié)合。2. 原始模型的建立與分析CFD軟件與SolidWorks 3D軟件之間是無縫連接，因此可以直接在SolidWorks中建立散熱模型。LED模型參數(shù)如表一：表一 LED 模型參數(shù)散熱外殼參數(shù)（表二）：表二 散熱外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)散熱器外形如 圖一：圖一 散熱器外形將模型定義為外部流場狀態(tài)，流體為空氣。實際LED燈板為密集陣

5、列，因此不需要對每個LED底部定義發(fā)熱面，直接將LED燈板底面定義為發(fā)熱面，發(fā)熱功率為單個LED功率X LED數(shù)量X 光效系數(shù)，從而得到熱功率為11.4W。定義輻射時，將模型外表面設(shè)置為真實輻射表面，查表得到白色漆表面紅外輻射率為0.8并假設(shè)模型處在27環(huán)境中。由于使用CFD軟件進行熱分析，故不需要對流體對流系數(shù)做進行特殊定義，軟件在分析時會自動求解模型周圍流場，降低了使用門檻，也提高了分析精度。圖二模型網(wǎng)格化后進行分析計算，得到穩(wěn)態(tài)后溫度及溫度場的同時也可以求得周圍流體狀態(tài)。求解結(jié)果如圖三：圖三：模型分析結(jié)果剖面圖可以觀察到，模型最高溫度發(fā)生在LED PCB上為45.9，周圍及內(nèi)部溫度場如圖

6、三所示。3. 簡化模型及分析由于初始模型重量大，達到560g，考慮到安裝，運輸及成本因素，決定在保證光學(xué)性能和產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)上對初始模型進行簡化。最簡單直接的方式是針對散熱器，一改以往壓鑄工藝，采用旋壓工藝。在保證產(chǎn)品出光效果的基礎(chǔ)上得到以下改進模型，如表三：改進后散熱外殼參數(shù)（表三）：表三 改進后散熱外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)改進后模型如圖四： 圖四 改進后模型建立分析模型，由于只是針對散熱器進行改進，LED 燈板保持不變，所以LED模型也保持不變；設(shè)置散熱器表面紅外輻射系數(shù)為0.06，周圍溫度27。分析結(jié)果如圖五：圖五 改進后模型分析結(jié)果圖中，在LED處模型達到最高溫度，為60.5。由圖六可以觀察模型

7、的表面溫度分布情況。圖六 改進后模型表面溫度分布模型溫度對于正常使用的產(chǎn)品來說偏高，假如產(chǎn)品在高溫條件下使用時，LED節(jié)溫很容易突破100，對LED是致命的。因此必須對該模型進行再改進，使其在重量減低的情況下再滿足溫度的要求。4. 簡化模型的改進及分析由于鋁殼是旋壓的，未對表面處理時，其表面為拋光鋁表面，輻射率極低，約0.06。為此需要對表面進行處理，查輻射率表得到，黑色油漆輻射率為0.95以上，白色功能油漆也能達到0.9以上，為了滿足外觀要求，本文決定使用白色功能油漆涂覆在鋁殼上。建立模型，將鋁殼外表面定義為白色油漆，設(shè)置油漆輻射率為0.9。分析得到LED最高溫度為48.7，接近原始模型的溫

8、度。（分析結(jié)果如圖七）圖七 簡化模型改進后分析結(jié)果圖八 外表面溫度分布各模型表面輻射參數(shù)參看表四：表四 各種表面輻射率5. 真實模型測試及數(shù)據(jù)分析根據(jù)以上分析結(jié)果，我們建立真實的模型樣機，進行實際測量，結(jié)果如下 表五：表五 實驗對比數(shù)據(jù)從以上數(shù)據(jù)可以觀察到，實際模型與分析模型結(jié)果很接近，最大誤差7.5%，因此工程上認為分析是可靠的。圖九為三個模型的實際測試對比曲線。圖九 對比曲線6. 結(jié)論對于散熱優(yōu)化，一直是各LED產(chǎn)品制造商重點關(guān)注的問題，本文利用CFD軟件對三個模型求解溫度分布，結(jié)合對比實驗找到了對散熱器簡化的新思路，得到一種增強輻射散熱的方法，一改以往基于空氣對流的肋片散熱方案，使LED

9、燈具擺脫了以往笨重的特點，并且大大降低了成本；同時，對今后的深入研究奠定了實驗基礎(chǔ)。參考文獻：1. 張琦，陳旭.LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計.電子與封裝，2009 9 （6）：44-48.2. WANG Cai-feng,Niu Ping-juan,GAO Tie-cheng,YANG Guang-hua,FU Xian-song. Thermal Analysis of High Power LED on Heat Sink. Semiconductor Photonic Technology.2008 14(3):192-195.3. 張樓英,周麗,張家雨,羅宗南,崔一平. 大功率 L E D的光衰機制研究.Semiconductor Technology.2008 34(5):474-477.