鎂合金在LED燈具熱仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用

摘要：鎂及鎂合金密度小、強(qiáng)度高，在航空航天、軍工及電子等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著對(duì)鎂合金研究的深入，鎂合金由于優(yōu)越的性能被開(kāi)發(fā)和利用到更多的行業(yè)。文章分析了鎂合金應(yīng)用在LED燈具上散熱的優(yōu)勢(shì)，使用CAE分析軟件Flo EFD仿真和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證的方式，探索了鎂合金作為L(zhǎng)ED燈具散熱器的可行性。

關(guān)鍵詞：鎂合金；散熱；LED燈具；熱仿真設(shè)計(jì)；Flo EFD 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN312 文章編號(hào)：1009-2374（2015）25-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.031

1 概述

LED燈中的芯片是熱流密度很大的電子元件。LED在工作時(shí)，會(huì)有80%左右的電能轉(zhuǎn)化成了熱能，20%的電能轉(zhuǎn)化為光能。LED產(chǎn)生的熱能主要是通過(guò)散熱器傳遞到空氣中。溫度不但對(duì)LED的壽命有影響，而且對(duì)LED的幾個(gè)性能特征包括光通量、正向電壓、顏色、可靠性和光衰等都產(chǎn)生直接影響。在運(yùn)行過(guò)程中，由于其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的損耗，會(huì)產(chǎn)生大量的多余熱量。只有通過(guò)散熱系統(tǒng)散發(fā)到外部，才能維持其工作溫度的穩(wěn)定。目前LED燈的發(fā)光效率較低，會(huì)引起結(jié)溫升高，降低壽命，給設(shè)計(jì)應(yīng)用上帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。散熱問(wèn)題日益嚴(yán)峻，散熱性能優(yōu)良的大功率LED的需求和研究已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 鎂合金的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

我國(guó)是鎂礦富裕國(guó)，礦產(chǎn)資源占世界鎂礦的50%。鎂合金主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等，密度?。?.738g/cm?），強(qiáng)度高，具有良好的壓鑄成型性能。在實(shí)用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。鎂合金現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，成為汽車、航空航天等輕量化設(shè)計(jì)和節(jié)能降耗的首選合金。

通常上認(rèn)為鋁合金的散熱性能優(yōu)于鎂合金。由熱擴(kuò)散率公式α=λ/ρc，其中λ為熱導(dǎo)率，ρ為材料密度

（kg/m?），c為比熱容。熱擴(kuò)散率α的大小，反映了材料內(nèi)部達(dá)到熱平衡的快慢程度。由熱擴(kuò)散率公式可知，鎂合金的熱導(dǎo)率λ和熱擴(kuò)散率α與鋁合金相比均較小。

但有文獻(xiàn)資料表明，鎂合金在空氣中的散熱性比鋁合金要好，在相同的環(huán)境條件下，鎂合金的降溫速度比鋁合金快。在環(huán)境溫度下，材料表面以對(duì)流換熱及與輻射方式將熱量傳遞到周圍環(huán)境中，降溫速度主要與材料的容熱能力ρc有關(guān)。ρc值的大小反映導(dǎo)熱良好的材料在空氣中冷卻的快慢。材料的容熱能力ρc值越小，降溫速度越大。相比鋁合金，鎂合金在空氣中溫度降低

最快。

3 建立散熱模型

建立散熱模型，如圖1所示。模型由LED及散熱器組成。其中1是LED芯片，2是散熱器。散熱器的外形為圓臺(tái)，上底的直徑為58mm，下底的直徑為105mm，高為118mm，中間為24片散熱片。

熱量的傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種方式。LED芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)的方式，傳遞到LED封裝的基板，由基板傳遞到散熱器中，再由散熱器以熱對(duì)流及熱輻射將熱量傳遞到空氣中。

對(duì)流是指由于隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)和流體整體運(yùn)動(dòng)形成的熱傳遞。在自然對(duì)流中，流動(dòng)是由浮升力引起的，是流體中的溫度變化而產(chǎn)生的密度差所致。熱空氣上升，冷空氣下降，流動(dòng)的空氣將散熱器翅片周圍空氣的熱量帶走。除此之外，散熱器的表面會(huì)向周圍環(huán)境發(fā)生熱輻射，把熱量散發(fā)到空氣中。

4 軟件模擬

Flo EFD是高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通訊、汽車、照明、工業(yè)機(jī)械等行業(yè)。它基于當(dāng)今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法（FVM）開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真分析流程與設(shè)計(jì)流程的無(wú)縫結(jié)合。Flo EFD在模型轉(zhuǎn)化、模型處理以及網(wǎng)格、收斂分析步驟中的獨(dú)特技術(shù)，能極大地簡(jiǎn)化仿真工作，縮短仿真時(shí)間，方便優(yōu)化產(chǎn)品性能和可靠性，同時(shí)減少樣品試驗(yàn)和研發(fā)成本。

軟件模擬的一般過(guò)程，包括定義分析類型、定義流體及固體材料、壁面設(shè)置、初始條件設(shè)置、求解及后處理。模擬的初始條件參數(shù)如表1所示：

5 模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)求解計(jì)算收斂后，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，可以得到LED及散熱器表面的溫度分布圖如圖2所示：

6 測(cè)試及其結(jié)果

Fluke 54-IIB是手持式數(shù)字接觸式溫度計(jì)，具有快速響應(yīng)功能和實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)確度[±0.05%+0.3℃]，為主要事件提供事件參考電子補(bǔ)償功能，可以補(bǔ)償電偶誤差，最大限度地提高整體精度。

在實(shí)驗(yàn)室常溫條件（溫度22.7℃，濕度49% RH）下，使用珠型探頭熱電偶固定在LED測(cè)試點(diǎn)及散熱器各點(diǎn)（相關(guān)測(cè)試點(diǎn)如圖3所示），對(duì)樣品進(jìn)行點(diǎn)亮測(cè)試。

在LED點(diǎn)連續(xù)亮約2小時(shí)達(dá)到熱穩(wěn)定后，讀取各測(cè)試點(diǎn)的溫度值。模擬與測(cè)試的結(jié)果如表2所示：

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試表明，實(shí)測(cè)的結(jié)果與模擬較為接近。由于模擬是在理想條件下進(jìn)行，與實(shí)際測(cè)試條件有輕微差異，但差異在3%以內(nèi)，是工程上可以接受的誤差范圍。這也說(shuō)明了鎂合金在LED燈具的散熱上是可行的。

鎂作為新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用也將迎來(lái)最好的機(jī)遇期，在新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，也將發(fā)揮更大的作用。鎂合金除了應(yīng)用LED及其他燈飾，汽車應(yīng)用零部件，其他要求高質(zhì)量、高強(qiáng)度、高韌性配件的理想材料，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃磊，陳洪林.LED照明散熱研究進(jìn)展[J].廣州化工，2012，（8）.

[2] Adam Christensen，Samuel Graham.Thermal effects in packaging high power light emitting diode arrays[J].Applied Thermal Engineering，2009，（29）.

[3] 柴偉偉，陳清華，李琳紅，等.大功率LED燈珠與散熱器直焊結(jié)構(gòu)散熱效果分析[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2011，（32）.

[4] 曾小勤，丁文江，應(yīng)燕君，鄒建新.鎂基能源材料研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2011，30（2）.

[5] 陳希.LED散熱片合金材料的研究進(jìn)展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2012，（12）.

[6] 李曉波，曹偉濤，白聿欽.AZ91D散熱性能的研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（10）.

[7] 董春明.鎂應(yīng)用：新機(jī)遇與新市場(chǎng)[J].世界有色金屬，2013，（6）.

作者簡(jiǎn)介：黃型鋼（1987-），男，廣東陽(yáng)春人，供職于廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，研究方向：LED汽車燈具結(jié)構(gòu)、散熱分析。

（責(zé)任編輯：陳 倩）