船舶機(jī)艙LED燈散熱性能與環(huán)境因素關(guān)系仿真研究

劉濤 羅聿斌 董寧 應(yīng)慧娟

摘 要：大功率LED體積小，芯片溫度短時(shí)間內(nèi)急劇升高，使得大功率LED散熱一直是半導(dǎo)體照明的研究重點(diǎn)。船舶在水面航行，長期處于高溫、高濕及各種不同的擺動(dòng)環(huán)境中。因此，船用照明設(shè)備在可靠性及可維護(hù)性方面要求更高。文章針對(duì)LED芯片發(fā)熱嚴(yán)重的問題，選用一款額定功率15W的LED燈為參考模型，運(yùn)用三維建模軟件UG建立LED燈具模型，借助CFD工程軟件FLOEFD.NX8.5進(jìn)行求解，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證軟件使用的可靠性。最后，采用FLOEFD.NX8.5軟件分析船舶機(jī)艙不同溫度、濕度及通風(fēng)風(fēng)速對(duì)LED燈具芯片結(jié)溫性能帶來的影響，為船舶LED照明燈的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：LED燈;高溫;散熱;仿真

中圖分類號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）09-0004-04

目前，船用LED照明燈具主要有船頂燈、蓬頂燈、角燈和投光燈等[1]。其中，當(dāng)前單LED芯片的功率已經(jīng)達(dá)到或超過5W，大概只有20%～30%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，剩余70%～80%的能量以點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化為熱能，散發(fā)到外界環(huán)境中而浪費(fèi)掉。若不加散熱措施，則LED的結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)急速上升，當(dāng)超過最大允許溫度時(shí)，LED芯片會(huì)因過熱而損壞[2]。于是，大功率LED光源的散熱難題，成為制約產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的瓶頸技術(shù)之一[3]。

船舶長期在高溫度、高濕度的環(huán)境中運(yùn)行，散熱問題的研究有別于陸地環(huán)境，文章將針對(duì)船舶機(jī)艙環(huán)境，選取一款功率為15W的LED照明燈，通過CFD軟件仿真實(shí)驗(yàn)，分析環(huán)境因素對(duì)LED芯片結(jié)溫能造成的影響。

1 熱傳導(dǎo)控制方程

根據(jù)熱量傳遞過程的物理本質(zhì)不同，熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射[4]。熱量通過不同方式進(jìn)行熱交換傳遞，在很多實(shí)際熱量傳遞過程中，三種傳熱方式通常同時(shí)出現(xiàn)。

在某一時(shí)刻，物體內(nèi)所有各點(diǎn)在空間直角坐標(biāo)系的溫度場表示為，導(dǎo)熱微分方程式如下：

（1）

式中：為物體密度，;為物體比熱容，;為時(shí)間，;為物體導(dǎo)熱系數(shù)，;為內(nèi)熱源強(qiáng)度，;為物體溫度，;、、為坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，。微分方程的等效積分形式如下：

（2）

式中：為體積單元;為散熱器對(duì)流系數(shù);;為散熱器表面溫度;為空氣濕度;為熱流邊界;為對(duì)流換熱面積。

對(duì)式（1），（2）有限元離散，得出穩(wěn)態(tài)場求解溫度的基本方程：

（3）

其中，為傳導(dǎo)矩陣;為節(jié)點(diǎn)溫度矩陣;為節(jié)點(diǎn)熱流矩陣[5]。

根據(jù)導(dǎo)熱方程式、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結(jié)果[6]。

2 LED燈具結(jié)構(gòu)傳熱模型

熱阻分為導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻，當(dāng)未接觸的空隙中充滿空氣或其他氣體時(shí)，由于氣體的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于固體，兩個(gè)固體間的導(dǎo)熱就產(chǎn)生了接觸熱阻。公式定義為溫差與熱流量之比，見式（4）。

（4）

就燈具接觸熱阻來說，通常包括：芯片熱阻、基板熱阻和冷卻熱阻。其中，隨著芯片材料的發(fā)展，芯片熱阻已降到6～12c/w，其在整個(gè)系統(tǒng)中占比不大;基板熱阻與底座和基板的熱接觸面以及基板的導(dǎo)熱能力有關(guān)，并隨著基板技術(shù)的發(fā)展，這部分熱阻已經(jīng)小于散熱器熱阻[7];最后，由基板到散熱器這部分存在的熱阻稱為冷卻熱阻。燈具整體熱阻網(wǎng)格模型如圖1所示。

其中，LED燈具總熱阻可以表示為：

（5）

圖2為AL5052熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨材料溫度變化，導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸升高，但它們之間并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，主要是受到變動(dòng)熱阻的影響。但當(dāng)材料的溫度達(dá)到273k以上時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)曲線逐漸平穩(wěn)，可以認(rèn)為熱阻為定值。考慮到點(diǎn)亮LED燈具后材料溫度通常高于273k，因此CFD仿真計(jì)算中熱阻可以根據(jù)材料類別考慮設(shè)為穩(wěn)態(tài)值。

3 模型分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測量

此款LED燈具吊裝在機(jī)艙頂部，其由81顆LED串聯(lián)組成，額定功率為15W，電光轉(zhuǎn)換效率為15%。燈具點(diǎn)亮后，LED芯片產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的形式把熱量傳遞給鋁基板，鋁基板通過導(dǎo)熱硅膠與散熱器相連，熱量通過散熱器傳遞到空氣中，達(dá)到散熱的效果。同時(shí)，為了起到防腐和美觀的作用，在燈具散熱器外表面進(jìn)行了噴粉，噴粉的輻射系數(shù)為0.6，LED燈具實(shí)物圖如圖3所示。

在恒溫為25℃的密閉實(shí)驗(yàn)室中點(diǎn)亮燈具2h，用Fluke紅外熱成像儀對(duì)準(zhǔn)LED燈具散熱器外表面進(jìn)行溫度測量。其中，測量過程中需要注意以下幾點(diǎn)：保證儀器測量過程中熱成像儀平穩(wěn)、選擇正確的測量溫度范圍、測量目標(biāo)背景單一、焦距調(diào)整合理。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖4、圖5所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)仿真

燈具點(diǎn)亮后，溫度會(huì)隨時(shí)間變化而升高，直至達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，散熱器溫度會(huì)保持在最高溫度值，全文采用穩(wěn)態(tài)分析進(jìn)行計(jì)算求解。在不同環(huán)境邊界條件下，使用FLOEFD.NX8.5軟件對(duì)該燈具模型進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、加載熱源、模型求解、溫度場分析。LED燈具模型如圖6所示，燈具材料參數(shù)如表1所示，溫度場分布云圖如圖7所示。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比實(shí)驗(yàn)和軟件仿真模擬的溫度數(shù)據(jù)結(jié)果，不難看出，在實(shí)驗(yàn)測試中散熱器最高溫度為39℃，最低溫度為36.5℃，而仿真計(jì)算中散熱器溫度最高為37.49℃，最低為33.73℃?？紤]到實(shí)驗(yàn)仿真的模型進(jìn)行了簡單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，且模型采用較為理想的狀態(tài)，面與面之間采用完全接觸，減小了熱阻，導(dǎo)致仿真計(jì)算的結(jié)果略低于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果2℃左右。因此，可以認(rèn)為通過軟件模擬計(jì)算可靠性高，能滿足基本仿真計(jì)算要求。同時(shí)，也從另一方面說明，在軟件計(jì)算過程中LED燈具參數(shù)設(shè)置的正確性，為下一節(jié)模擬計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

4 環(huán)境因素分析

船舶機(jī)艙內(nèi)的溫度，夏季可達(dá)到50℃[8]，且長時(shí)間處于相當(dāng)高的范圍，過高的機(jī)艙溫度會(huì)導(dǎo)致LED燈具與空氣的對(duì)流減弱，對(duì)LED燈具的散熱性能造成直接影響，進(jìn)而影響燈具芯片結(jié)溫。高濕度的機(jī)艙環(huán)境長期伴隨LED燈具的照明，同時(shí)機(jī)艙處于船體底部，需要為設(shè)備及工作人員提供良好的通風(fēng)環(huán)境。因此，也有必要針對(duì)濕度及通風(fēng)風(fēng)速對(duì)LED芯片最高溫度的影響進(jìn)行分析研究。

因此，本小節(jié)就采用FLOEFD.NX8.5進(jìn)行求解計(jì)算，對(duì)LED照明燈的外部環(huán)境邊界條件進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算分析不同邊界組合時(shí)，環(huán)境因素對(duì)燈具芯片結(jié)溫帶來的影響。

4.1 環(huán)境溫度對(duì)LED燈具散熱效果的影響

設(shè)定機(jī)艙相對(duì)濕度為60%、氣流流速0.2m/s，計(jì)算環(huán)境溫度在30℃～50℃區(qū)間內(nèi)的LED芯片溫度變化情況。環(huán)境溫度與LED芯片溫度關(guān)系如圖8所示。

從圖8可以看出，當(dāng)濕度及氣流流速一定時(shí)，機(jī)艙環(huán)境溫度為30℃時(shí)，LED芯片產(chǎn)生的最高溫度為40.75℃;當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，芯片的最高溫度為52.8℃。伴隨機(jī)艙環(huán)境溫度的升高，芯片的結(jié)溫逐漸增大，且芯片結(jié)溫的增幅隨著環(huán)境溫度升高呈現(xiàn)降低趨勢。即環(huán)境溫度越高，芯片結(jié)溫增幅越小，二者成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

4.2 濕度對(duì)LED燈具散熱效果的影響

設(shè)定環(huán)境溫度為30℃～40℃，氣流流速0.2m/s，模擬計(jì)算濕度范圍在40%～80%時(shí)濕度值的變化與LED芯片最高溫度的關(guān)系，如圖9所示。

由圖9可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí)，濕度的變化對(duì)燈具芯片結(jié)溫沒有影響，LED芯片結(jié)溫一直保持在40.75℃。同樣，環(huán)境溫度分別在35℃和40℃時(shí)，隨著濕度的改變，結(jié)溫分別保持在44.97℃和47.42℃，說明燈具芯片結(jié)溫受周圍環(huán)境濕度的影響微乎其微。

4.3 氣流速度對(duì)LED燈具散熱效果的影響

設(shè)定機(jī)艙環(huán)境溫度為30℃～40℃，濕度為60%，氣流速度范圍為0.1m/s～0.4m/s，氣流速度變化與LED芯片結(jié)溫關(guān)系如圖10所示。

由圖10可以看出，不同環(huán)境溫度情況下芯片結(jié)溫均有所下降，且是環(huán)境溫度與降幅成負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即環(huán)境溫度越高，芯片結(jié)溫降幅越小。進(jìn)一步說明氣流流速加快時(shí)，燈具散熱器與外界流體對(duì)流換熱效果明顯，燈具采取主動(dòng)風(fēng)冷散熱有利于降低芯片結(jié)溫，進(jìn)而減小LED光衰，延長燈具的使用壽命。

5 結(jié)語

利用CFD仿真分析軟件對(duì)LED燈具進(jìn)行熱分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期就準(zhǔn)確計(jì)算出燈具的溫度參數(shù)值，減少燈具設(shè)計(jì)時(shí)間和成本花費(fèi)。船用LED燈具相關(guān)影響因素的分析，對(duì)改善燈具結(jié)構(gòu)和散熱方式，提高船用LED照明燈具的安全性和可靠性具有指導(dǎo)性作用

參考文獻(xiàn)

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