照射角度对大功率LED 筒灯散热性能影响的分析*

刘海林，吴礼刚，戴世勋* ，林万炯，周伯友，金小明

(1.宁波大学信息学院，浙江 宁波315211;2.宁波工程学院电子与信息工程学院，浙江 宁波315216;3.宁波赛尔富电子有限公司，浙江 宁波315103)

大功率LED 具有高效，节能，环保以及寿命高的优点，被公认为是下一代照明光源的理想替代者。为进一步实现“十二五”节能减排目标，2011 年国家发改委联合多部委发布五年内逐步禁止进口、销售普通白炽灯的公告，这给国内LED 照明行业带来了新的发展契机。目前制约国内大功率LED 灯具发展的一个重要因素就是封装散热问题，散热问题解决不好将导致器件波长漂移、颜色变化、发光效率下降、灯具失效以及可靠性降低等问题。因而解决好大功率LED 封装过程中的散热问题对国内LED 照明企业发展意义重大。

目前对大功率LED 灯具封装散热的研究已渐成体系，大致可分为两大部分:LED 芯片的散热封装和LED 灯具外围组件的散热封装研究。LED 芯片的最高温度称为结温，结温的高低往往成为衡量灯具散热效果的尺度。对LED 芯片封装散热研究主要集中在LED 芯片的结构以及电气连接引脚的位置等方面［1－3］。对LED 灯具外围封装组件的散热研究则主要从各组件包括陶瓷基板、PCB 板、导热硅脂以及散热器的材料和结构入手展开［4－11］。在材料导热性能、结构尺寸、结温高低以及加工成本多种因素之间寻求一个最佳的结合点。然而以上研究的前提均假定LED 灯具是在固定照射角下达到热稳定状态的。在实际的照明应用中，为了达到理想的照明效果，会将LED 灯具设计成照射角度可调的结构。灯具在自然对流下热量的传递与换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态都有着密不可分的关系［12］，因此不同的照射角度下的灯具散热效果截然不同。目前国内外主流科技文献在照射角度对大功率LED 灯具散热的影响方面鲜有报道。

本文使用计算流体力学软件Fluent 对一款大功率LED 筒灯进行建模仿真，进而研究其搭配3 种常见结构散热器在不同照射角度下的散热效果。整个系统设定为自然对流，大气压强为1 标准大气压，环境温度设置为35 ℃。重力方向为Z 轴正向，如图1所示我们定义此时竖直向下照射时的照射角为0°角，若灯具绕Y 轴方向旋转30°即照射角为30°，对比3 种结构灯具在照射角0° ～90°时的散热效果，找出每种结构的最佳照射角以及适合多种角度照射的最佳灯具结构。本研究中所涉及的材料参数如表1 所示。

图1 搭配辐射状散热器LED 筒灯建模示意图

表1 封装材料特性

1 基本参数的设定

建模元件尺寸为:LED 芯片1.2 mm×1.2 mm×0.1 mm、陶瓷基板4.5 mm×3 mm×0.5 mm、灯罩、PCB板为环形，内径ra为3.5 mm，外径rb为19 mm，厚度为1.5 mm。散热器分为3 种结构:辐射状，平板状、以及柱状，3 种散热器结构如图2 所示，基座厚度d 均为2 mm，辐射状散热器的肋片厚度d1为2 mm，高度h1为39.5 mm;平板状散热器肋片厚度d2为2 mm，间距L 为4mm，高度h2为39.5 mm;柱状散热器肋片尺寸2 mm×2 mm×39.5 mm。灯具模型加圆柱形空气包围框，如图1 所示，半径为R 为80 mm，高度为H 为290 mm。为了节省运算时间，对所建模型均做1/2对称。

图2 三款常见LED 筒灯散热器结构示意图

仿真参数:每颗LED 芯片的发热功率设置为2 W，空气流动状态设置为层流，采用浮力驱动。环境温度设置为35 ℃，大气压强为1 标准大气压，重力加速度为9.8 m/s2。

2 仿真的有限元公式

Fluent 求解方程如下:

(1)连续性方程

(2)动量方程

X 方向:

Y 方向:

Z 方向:

(3)能量方程

固体传热方程:

(4)流体传热方程:

(5)对流传热(牛顿冷却)公式:

其中u、v 和w 分别表示流体在x、y 和z 方向的速度分量，ρ 和T 分别表示流体密度与温度。g 为重力加速度，β 为流体的热膨胀系数，Cp为比热容，k 为热传导系数，Q'为芯片的发热功率，α 为热扩散系数，φ为热流量，h 为对流换热系数，A 为表面积，tw为固体表面温度，tf为流体温度。

3 结果与讨论

3.1 照射角度对搭配辐射状散热器LED 筒灯散热效果的影响

图3 为搭配辐射状散热器的LED 筒灯在不同照射角下的温度场分布图，对比不同照射角下的结温我们发现，结温呈现随照射角度的增大而升高的趋势，如图4 所示。但在0° ～30°范围内结温维持在97 ℃左右，变化不明显，而从30°开始结温明显升高，照射角为90°时具有最高温度110 ℃。分析原因主要是当照射角度增大时，散热器在空气上升方向也就是－Z 方向上会形成一个阻挡面，使得空气流动受阻，降低了散热器表面的对流换热系数，其中计算对流化热系数时的流体温度tf参考值设置为空气入口温度35 ℃。散热器采用热传导系数较高的铝质材料，故表面温度tw在不同照射角下基本不变，(tw－tf)近似为定值，又因为散热器表面积A 为定值，根据牛顿冷却方程可知，对流换热系数的降低会导致扩散热流量的减少，进一步导致结温升高。照射角低于30°时这个阻挡面面积变化不大，而从30°开始阻挡作用明显增强。

图3 搭配辐射状散热器LED 筒灯不同照射角下的温度场分布

图4 搭配辐射状散热器LED 筒灯结温与照射角度关系图

3.2 照射角度对搭配平板状散热器LED 筒灯散热效果的影响

如图5 所示，搭配平板状散热器LED 筒灯在绕Y 轴方向转动照射和绕X 轴方向转动照射时具有完全不同的散热效果:

如图5(a)所示搭配平板状散热器LED 筒灯绕Y 轴方向转动照射时，结温随照射角的增大而明显升高，如图6 所示，在0° ～30°时结温维持在94 ℃左右，变化不明显，但从30°开始结温温升幅度较大，在90°时达到最高温度116 ℃，较搭配辐射状散热器时的最高结温高出6 ℃。

图5 搭配平板状散热器两种不同转动照射示意图

图6 搭配平板状散热器LED 筒灯结温与绕Y 轴方向转动时照射角关系图

如图5(b)所示搭配平板状散热器LED 筒灯绕X 轴方向转动照射时，结温随照射角的增大变化不大，基本维持在94 ℃～95 ℃之间，如图7 所示。

图7 搭配平板状散热器LED 筒灯结温与绕Y 轴方向转动时照射角关系图

出现以上两种不同散热效果是因为当LED 筒灯绕X 轴方向转动时，平板状散热器的肋片对上升空气流的有效阻挡面积并未明显增大，肋片间能够始终保证顺畅的空气流动。而绕Y 轴方向转动照射时，散热器肋片在空气流上升方向上的有效阻挡面积是随照射角度的增大而增大的，肋片的阻挡作用使得肋片间的空气流动受阻，降低了散热器表面与空气间的对流换热系数，根据牛顿冷却方程可知，对流换热系数的降低会导致扩散热流量的减少，进一步导致结温的急剧升高。

3.3 照射角度对搭配柱状散热器LED 筒灯散热效果的影响

图8 为搭配柱状散热器LED 筒灯照射角度与结温的关系图，从图中可以看出，结温随照射角度的增大是升高的，但是温升并不明显，结温维持在94.2 ℃～98.4 ℃之间最大温差仅有4.2 ℃。这主要是因为随着照射角度的增大，柱状散热器肋片会在空气流动方向上即－Z 轴方向上形成一个阻挡面，使得肋片间空气流动受阻，但是柱状散热器肋片的特殊结构会产生旁通现象，空气仍可以从四面八方进入肋片之间流动，因此空气在肋片间的流速并未明显减小，即结温也没有明显升高。

图8 搭配柱状散热器LED 筒灯结温与照射角度关系图

4 结论

(1)搭配辐射状散热器的LED 筒灯只适合小角度照射，因此在设计转动结构时应将照射角度控制在30°以下。

(2)搭配平板状散热器的LED 筒灯在低于30°的小角度照射时，可以任意设计其旋转结构，但是在高于30°的大角度照射时，应设计成文中绕X 轴方向转动的结构，

(3)搭配柱状散热器的LED 筒灯在多角度照射的情况下具有较好的散热效果，在不考虑散热器外观以及加工成本的前提，多角度照射的LED 筒灯散热器应首选柱状结构。

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