船用大功率LED燈散熱性能研究

謝仁富，張彥敏，朱 俊

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

對于大型艦艇特別是潛艇來說，照明系統(tǒng)是整個艦艇至關(guān)重要的分系統(tǒng)，其安全性和舒適性對船員的心理和生理具有重大影響。艦艇內(nèi)部照明具有分布范圍廣、連續(xù)工作時間長、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多樣、電壓波動范圍大、電磁兼容要求高、外觀形式多樣，安裝方式受到應(yīng)用環(huán)境的制約等［1］特點。因此，對于艦艇有著多方面的效應(yīng)。

當前的熒光燈等普通照明方式在長期的實際使用中逐步暴露出諸多的不足，如壽命相對較短、可靠性差;電源波動引起的燈管及電路故障點多;維護工作量巨大;存在著一定的汞污染危險;電磁兼容性、抗震性較差，不可進行控制等。采用新型照明技術(shù)，延長照明燈具的壽命，降低維護性要求，開發(fā)基于LED的艦艇用照明燈具，為艦艇研制一種高可靠性和免維護的照明系統(tǒng)具有重要的意義。

與傳統(tǒng)照明光源相比，LED具有壽命長、節(jié)能、環(huán)保、抗沖擊性好、無輻射、無電磁干擾、無有毒氣體、發(fā)光效率高且易控制等顯著優(yōu)點［2］。由于目前LED的發(fā)光效率僅能達到10% ～20%，其余80% ～90%的能量轉(zhuǎn)化為熱能，同時隨著LED功率的提高，熱流密度相應(yīng)增加［3］。如果芯片產(chǎn)生的熱量未能及時散出，將導(dǎo)致PN結(jié)溫度升高，進而降低芯片的發(fā)光效率［4］，并大幅縮短 LED 壽命［5］。近年，隨著功率型LED的發(fā)展，芯片熱流密度越來越大，散熱已成為LED大規(guī)模應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題之一。本文采用數(shù)值傳熱學分析方法建立了典型船用LED燈散熱結(jié)構(gòu)，并通過仿真分析驗證了所采用的散熱方法和設(shè)計的散熱器滿足LED燈的散熱要求。

1 典型船用LED燈具結(jié)構(gòu)及傳熱分析

需要進行熱傳導(dǎo)分析的某船用LED燈具有2類(4種)，分別為由單粒LED組合和由燈帶組合。由單粒LED組合的燈具有14粒和18粒2種，由LED燈帶組合的燈具有20 W和30 W 2種。以20 W燈帶LED燈具為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 20 W LED燈具結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 Lamp structure model for 20 W LED

該型船用大功率LED燈具的外形尺寸為320 mm×200 mm×75.5 mm(長×寬×深)，殼體材料為鋁合金，視窗材料采用高透光性均光板，整體重量小于2.7 kg，最大配合額定功率為20 W，在船上的安裝形式為頂部懸吊安裝(通過轉(zhuǎn)接板等方式)。

熱量傳遞有3 種基本方式［6－8］:熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)、熱對流、熱輻射。船用大功率LED燈具由于其特殊的使用環(huán)境，其外殼防護等級一般都在IP65以上，熱量不能通過空氣對流的方式發(fā)散到燈具外部。所以利用良好的導(dǎo)熱途徑將LED的熱量傳到燈具外殼，選擇合適的導(dǎo)熱材料等燈具散熱方面的設(shè)計直接決定了產(chǎn)品的性能。

目前，針對大功率LED的散熱問題，國內(nèi)外的設(shè)計者和制造者分別在結(jié)構(gòu)、材料以及制造工藝等方面對LED的散熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化。例如，在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等;在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂;外部熱沉即外部散熱器采用各種合金肋片結(jié)構(gòu)或翅片組內(nèi)設(shè)熱管結(jié)構(gòu)等。

大功率LED燈熱設(shè)計的目的是為了防止LED芯片出現(xiàn)過熱或溫度交變引起的熱失效，可分為LED芯片內(nèi)部的熱設(shè)計、封裝的熱設(shè)計和管殼的熱設(shè)計以及大功率LED燈實際使用中的散熱器設(shè)計。管殼的熱設(shè)計主要考慮降低芯片的外熱阻，對于大功率LED照明燈，應(yīng)有足夠大的散熱能力［9－10］。本文主要研究的是自然空氣對流情況下大功率LED燈散熱性能研究及熱設(shè)計。

2 計算條件

LED燈具在開啟后逐漸升溫最后達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說熱穩(wěn)定狀態(tài)時各點的溫度最高，所以散熱計算一般只考慮穩(wěn)態(tài)情況，瞬態(tài)的熱分布情況并不重要。因此，應(yīng)在燈具處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時計算燈具散熱的情況。

根據(jù)已知尺寸和參數(shù)指標，使用ANSYS公司的ICEPAK軟件分別建立14粒、18粒、20 W、30 W 的LED燈具熱傳導(dǎo)模型。以14粒LED燈具為例，其熱傳導(dǎo)模型如圖2所示。

圖2 14粒LED燈具熱傳導(dǎo)模型Fig.2 14 LED lamp heat conduction model

一般來說，LED燈具溫度控制在100℃以下，工程分析中可不考慮輻射換熱。對于連續(xù)介質(zhì)，設(shè)某一時刻τ，物體內(nèi)所有各點在直角坐標系中的溫度場為t=f(x，y，z，τ)，導(dǎo)熱的微分方程可表達如下:

式中:ρ為密度，kg/m3;c為比熱容，J/(kg·K);λ為熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))，W/(m·K);Φ為內(nèi)熱源強度，W/m3。

對于連續(xù)介質(zhì)，二維對流換熱的能量微分方程如下:

式中:cp為熱容，對于固體和不可壓縮流體，cp=c;u，v分別為 x，y 方向的速度［11］。

上述熱交換的矩陣形式如下:

式中:［C(T)］為比熱矩陣;［K(T)］為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)和對流系數(shù);{T}為節(jié)點溫度向量;{T'}為溫度對時間的導(dǎo)數(shù);［Q(T)］為節(jié)點熱流向量。

設(shè)定 x，y和 z方向的速度流動的收斂值為0.001，能量收斂值為10－7，開始求解。

3 氣流及溫度分布圖

LED燈具熱量的流動過程為:先經(jīng)過焊接層將熱量傳給固定LED的鋁基板，然后鋁基板導(dǎo)熱膠將熱量傳給各個散熱片，再通過各個散熱片傳給燈具外殼，最后靠散熱片和燈具外殼與空氣間的對流將熱量散出。

圖3是20 W不帶散熱孔的LED燈帶燈具環(huán)境溫度t為35℃、空氣流速V為0.001 m/s時的溫度分布云圖。

圖3 20 W的LED氣流及溫度分布圖Fig.3 Air flow and temperature distribution of 20 W LED

4 仿真結(jié)果

設(shè)定不同的邊界條件，使用ICEPAK計算不同邊界條件組合時的LED芯片和燈帶處的溫度，分別如下所述。

4.1 4種燈具的T-P關(guān)系圖

固定環(huán)境溫度和空氣對流速度，仿真計算LED芯片或燈帶處溫度隨芯片功率的變化規(guī)律，T表示芯片溫度，P表示LED電功率。

計算中，設(shè)置環(huán)境溫度為35℃，空氣流速為0.001 m/s時，4類燈具分別按帶散熱孔與不帶散熱孔2種情況考慮。20 W的LED最高溫度值與單個芯片功率之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 20 W的LED燈具的T-P圖Fig.4 T-P diagram of 20 W LED

分析仿真結(jié)果可知:

1)隨著芯片功率增大，LED最高溫度值也變大。LED最高溫度與芯片功率間近似呈線性關(guān)系，但不同種類燈具溫升斜率不同。

2)單粒型LED燈具側(cè)面開散熱孔的散熱效果顯著，而燈帶型燈具散熱孔具有有限的散熱作用;在芯片功率為1.7 W時，14粒燈具溫升接近20℃，而18粒燈具溫升接近25℃;在燈帶功率為5 W時，20 W燈具溫升接近15℃，30 W燈帶燈具溫升在13℃左右。

3)在相同條件下，燈帶型燈具的溫升顯然比單粒型燈具的溫升要小得多。

4.2 4種燈具的T-t關(guān)系圖

固定取空氣流速為0.001 m/s，每種芯片都為最大功率(14粒、18粒的功率P為1.7 W;20 W和30 W燈帶的功率P為5 W)時，4類燈具分別按帶散熱孔與不帶散熱孔2種情況考慮。20 W燈帶最高溫度值T與環(huán)境溫度t之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 20 W的LED燈具的T-t圖Fig.5 T-t diagram of 20 W LED

從圖5中可以看出，隨著環(huán)境溫度的不斷提高，LED最高溫度值也在不斷增大，LED最高溫度值與環(huán)境溫度值之間幾乎成線性關(guān)系。從仿真結(jié)果看，不論哪一種燈具，基本上符合這樣的規(guī)律:環(huán)境溫度每升高1℃，則芯片處的溫度也升高1℃。

在相同空氣流速(0.001 m/s)、最大功率的情況下，帶散熱孔的燈具比不帶散熱孔的燈具的最高溫度值要低，在14粒、18粒LED燈具上最高溫升差值明顯(14粒LED燈差值在19.5℃左右，18粒LED燈差值在26.5℃左右)，20 W和30 W 的LED燈具帶與不帶散熱孔最高溫度值差值不是很明顯(20 W差值在5.3℃ 左右，30 W差值在3.1℃左右)。

4.3 4種燈具的T-V關(guān)系圖

固定環(huán)境溫度為35℃，每種芯片都取最大功率(14粒、18粒的功率P為1.7 W;20 W和30 W燈帶功率P為5 W)時，4種燈具LED最高溫度值T與空氣流速V之間的關(guān)系，以20 W條型燈為例，如圖6所示。

圖6 20 W的LED燈具的T-V圖Fig.6 T-V diagram of 20 W LED

從圖6中可以看出，隨著空氣流速在0.001～0.25 m/s之間不斷增大，LED最高溫度值變化很小，接近水平直線，即空氣流速對芯片的溫度幾乎沒有影響。

4.4 小結(jié)

在仿真計算中，分別考慮了結(jié)構(gòu)上散熱孔、芯片功率、環(huán)境溫度和空氣流速對芯片處溫度的影響。從計算結(jié)果看，芯片溫度受到散熱孔、芯片功率和環(huán)境溫度的影響，其中芯片功率對芯片溫度影響較大，結(jié)構(gòu)上開散熱孔對單粒型燈具的LED溫度影響較大;環(huán)境溫度對芯片溫升的影響為線性規(guī)律，環(huán)境溫度變化1℃，溫升同樣變化1℃。空氣流速對芯片處溫度幾乎沒有影響。

綜上所述，4種LED燈具在同種條件下，芯片功率越高，LED的最高溫度值就越大，LED最高溫度值與環(huán)境溫度值之間呈線性關(guān)系，當空氣流速V在0.001～0.25 m/s之間時，LED的最高溫度值幾乎沒有變化。14粒、18粒LED燈具在有散熱孔比沒散熱孔的LED最高溫度值差別很大，而20 W和30 W燈帶燈具在有無散熱孔時的最高溫度值差別不是很大。

5 結(jié)語

LED燈具散熱設(shè)計的重點在于:最短的熱路徑;必須以最快速的方法將熱量導(dǎo)出然后散出。通過燈具散熱的分析和計算，可以指導(dǎo)設(shè)計散熱方式和散熱器的選擇，保證了船用大功率LED燈具工作在安全的溫度范圍內(nèi)，減少了質(zhì)量問題，提高了可靠性。

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