阵列式大功率LED灯热分析*

廖绍凯，梅甫良，林广平，魏坛霖

（1.嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001；2.创正防爆电器有限公司，浙江嘉兴 314000）

0 引言

随着石油、化工、电力、医药、铁路、船舶等产业的飞速发展，其照明电力需求越来越大，大功率LED照明节能技术在这些产业中的推广应用将产生不可估量的社会效益和经济效益[1]。由于上述行业照明场所往往处在易燃烧、易爆炸的特殊条件下，对使用这些场所的照明灯具和设备的热量控制和防爆性能提出了特殊要求[2]。

LED是一种将电能转化为可见光的半导体元件，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色发光的原理，采用电场发光，是一种冷光源。其半导体器件PN结在45℃状态工作时，理论寿命可以达到100 000小时。但是，由于目前LED芯片发展所处的技术阶段，只能使10%～30%的电能转化光能，其余的能量将以热能的方式存在于芯片上，而LED光效率与工作温度成反比，温度每升高10℃，将导致光衰5%～8%，并且寿命减半的严重后果[3]。由于LED产生的热量主要以热传导和热交换的方式散发到空气中去，因此合理优化设计LED灯具的散热装置，改善灯具的内部流场，有效降低LED灯具表面及芯片的温度，提高其稳定性和使用寿命，成为众多学者研究的课题。苏达等研究了封装技术对大功率LED灯具散热性能的影响[4]。余彬海等对LED灯具的热阻性能进行了研究，并讨论了其对散热效果的影响[5]。刘红等研究了集成式大功率LED灯具的散热器结构设计[6]。张心标等讨论了散热翅片厚度、高度、间距、数目等对LED灯具散热效果的影响[7-9]。阎军等对影响LED灯具散热性能的结构几何因素进行了流场分析，并进行了参数优化设计[10-11]。本文作者前期基于ANSYS有限元仿真软件，建立了阵列式大功率防爆LED灯模型，通过改变灯体材料、增减散热翅片、改变换热系数等研究了其对灯体散热的影响，得到了相关优化参数。

本文在前期有限元仿真分析的基础上，进一步探讨了灯具的散热结构、灯体材料、荷载和边界条件，完善了阵列式大功率防爆LED散热结构数值分析模型，计算了在室内密闭环境下，灯具的温度场、温度梯度以及热流密度，得到了芯片和灯体表面的温度；然后按照数值分析模型参数，进行了样品试制，并将样品送往国家防爆电气产品质量监督检验中心进行温度试验；最后对仿真结果和温度试验数据进行对比分析。

1 LED散热结构数值仿真

1.1 灯体结构

本文所采用的灯体的外观由灯壳和灯盖组成，内部布置了吸热盘、铝基板以及60颗1 W的标准LED芯片，并在灯壳和吸热盘上分别布置了各种样式的散热翅片，增大与空气热交换的面积，以提高灯具散热效果。具体模型如图1所示，其中图1（c）、图1（d）为内部透视图，以显示内部芯片、吸热盘的结构模型。

图1 LED灯具数值模型

模型的主要几何参数：灯体总高160 mm；灯盖外径272 mm，内径247 mm，高21 mm；透明件外径247 mm，厚度12 mm，距底端6 mm；灯壳下部大圆柱外径267 mm，内径247 mm，高63 mm；灯壳上部为圆锥体，其下端内径218 mm，上端内径208 mm，厚度5 mm；灯壳顶部散热片厚度5 mm，对称分布6条，间距10 mm，灯壳下部大圆柱环向分布散热片厚度5 mm，高度60 mm，对称分布30条，翅片间夹角分别为8°、25°、27°和73°；内部铝基板厚度2 mm，外径200 mm；吸热盘总高30 mm，下部与铝基板结合，环向与灯壳结合，上部挖空25 mm放置散热片，高度8 mm，其中大圆环内环向均匀30条散热片，厚度2 mm，小圆环内环向均匀分布10条散热片，厚度3.5 mm，将散热片隔离的圆弧内径分别为10 mm，72 mm，厚度均为2 mm。

本模型中省略了LED封装的塑料部分、透镜、衬底、细导线等对灯体散热的影响。事实上，有文献表明，改变不同封装填充材料对热导温度的降低影响不大，即使封装材料的热导率达到7 W/m·K，相比使用热导率仅为0.25 W/m·K的材料，芯片温度下降不多，铝基板温度也只下降2.271℃；其次热沉与铝基板，铝基板与吸热盘通过硅胶导热，元件结合十分紧密，一般硅胶结合厚度在微米量级，为便于分析，可以忽略硅胶的影响。同时在建立有限元模型时，为便于网格划分，忽略了对结果影响不大的圆角、孔洞以及部分局部特征。

1.2 灯体材料

通过前期的仿真分析，分别讨论了灯体采用不锈钢、铸铁、铝合金、铜、银、钻石等材料时，其芯片和灯体表面温度变化情况。不锈钢和铸铁由于其导热系数相对不高，其芯片最高温度超过了芯片的热设计参考阀值95℃；而铜、银、钻石虽满足，但其成本太高，加工也不容易；综合考虑本模型采用灯体材料为铝合金ADC12，导热系数为237 W/m·K，灯盖为钢化玻璃，导热系数取为300 W/m·K。

1.3 芯片发热量

众所周知，随着LED的输入功率的增加，灯具的亮度也会成比例增强，但由于LED的效率远远低于100%，只能将少数电能转化为光能，而剩下的约70%的能量转换为热能，造成芯片结温不断升高。为此本文采用阵列式排布60颗1 W的标准LED芯片在铝基板上，排列方式为在直径为40 mm、85 mm、130 mm和175 mm圆周上分别均匀布置了6、12、18和24颗芯片。在增大灯具功率的同时，使芯片均匀散热，降低芯片结温。本模型中芯片的发热量取输入功率的85%，即为0.85 W，标称尺寸为1mm×1mm×1mm，发热率为0.85 W/mm3，同时为了模拟芯片均匀发热，芯片的导热系数取为一个较大值。

1.4 环境参数

灯具的传热路径为芯片、铝基板、吸热盘、灯体，然后灯体与周围空气发生热交换，将热量散发出去，从而降低灯具的结温。然而灯体与空气的热交换的计算很难给出比较精确的计算结果，而且使用时也容易出错，根据以往文献，通常情况下建议使用一些经验的数据。空气对流系数的经验公式如下

内表面：h=2.5+4.2v （1）外表面：h=(2.5～6.0)+4.2v （2）其中：h表示空气对流系数；v表示空气流速。

文献表明一块0.2 m2水平放置的平板，在自然对流情况下空气的热交换系数约为5 W/m2·k，在空气流速为3 m/s的强迫对流下与空气的热交换系数约为15 W/m2·k。考虑到试验时灯具置于试验箱中，处于室内封闭环境，因此灯具的外部热交换系数取为5 W/m2·k，灯具内部空腔的热交换系数取为2.5 W/m2·k，灯具的环境温度与试验时试验箱中的环境温度一致，取为50℃。

1.5 仿真分析

本文采用ANSYS软件进行了仿真计算，按照前文建立了阵列式防爆LED灯有限元模型，定义芯片、灯体和钢化玻璃盖的材料参数，选用solid90单元并对模型进行网格划分，最后施加芯片的发热率和环境边界条件，进行稳态温度场计算，得到了阵列式防爆LED灯仿真结果，包括灯具的温度场、温度梯度及热流密度，如图2、图3、图4所示，其中图2（c）、图2（d）、图3和图4均为内部透视图。

图2 灯具温度分布

图3 灯具温度梯度

图4 灯具热流密度

从图2可以看出，灯具的最高温度出现在芯片处，大小为76.8℃，最低温度出现在灯壳的顶部，大小为69.7℃，温差为7.1℃，通过观察整体的温度云图，灯具温度场基本均匀，可见芯片的热量经过有效的疏导，传入到空气中，而不致芯片结温超过95℃，保证了灯具的使用寿命。从定性的因素来看，主要是灯体材料选择了热导性较好的铝合金，使得灯体的温度分布均匀，相对温差不大，其次散热翅片较合理的布置，包括灯壳顶部和灯壳下部环向的翅片，以及内部吸热盘的散热翅片，增大了灯体与空气的热交换面积，使得灯体的温度能传入到空气中，降低了灯体及芯片的绝对温度。另外从图2中可以看出，灯壳外部的最高温度在与吸热盘较接近处，大小为72.1℃，外壳顶部的温度为69.7℃，钢化玻璃盖的温度为70.6℃。

2 温度试验

为了验证有限元仿真计算的合理性，以及进一步了解防爆LED灯的散热机理，对上述防爆LED灯具进行了温度试验。利用现代加工技术对上述防爆LED灯仿真模型进行了近似1:1比例的样品制作，如图5所示。该防爆灯由铸铝合金的隔爆型主体和增安型接线盒组成，二者之间通过导线连接并进行浇封处理，主体外壳、灯盖、吸热盘、铝基板和芯片的布置按有限元模型尺寸进行设计，在外壳上部增加了接线盒、内部空腔安置了接线端子、其余局部增加了小孔洞和圆弧倒角。

图5 防爆LED灯

样品的温度试验在国家防爆电气产品质量监督检验中心进行，该试验为整机试验，样品置于50℃的试验箱中，连续运行至温度稳定，最终测得了灯具外壳表面有代表性的温度值，并对试验结果与仿真结果的温度值进行比较，如表1所示。

表1 试验测试温度与仿真分析结果对比

考虑到测试设备、测试环境、有限元模型的简化（接线盒、孔洞、倒角、硅胶的简化）和接触热阻的忽略（吸热盘与灯壳、灯盖与灯壳之间的接触热阻）等的影响，试验和仿真模拟的结果存在一定的误差。从定性来考虑，接触热阻的增加、硅胶的简化会导致实测值的温差更不均匀；接线盒和孔洞等散热面积的增加会导致实测表面温度更低；不同材料的热交换系数难以精确确定也会带来一定误差；从温度试验和仿真模拟结果的对比也体现了这些定性分析的趋势。从定量来考虑，几处温度对比的最大误差为3.6℃，误差率为5.4%；最小误差为0.6℃，误差率为0.8%，误差相对不大，仿真模拟基本能准确的反应产品的温度分布，从而更进一步帮助企业对本产品进行散热结构改进、优化，降低芯片温度，满足客户需求，提升产品的质量和性能。

3 结论

本文借助ANSYS仿真软件对阵列式大功率防爆LED灯进行了仿真模拟。考虑到该灯具将应用于石油、化工场所，对灯具的散热提出了更高的要求，本文从灯具结构散热设计、灯体材料的选择、芯片发热量以及环境参数的合理定义进行了较为细致的探讨和分析，以利于仿真结果更接近实际，同时更有效地降低芯片结温。然后通过仿真计算，得到了灯具的温度分布、温度梯度和热流密度。最后，将该灯具进行了样品制作，并进行整机温度试验，测得了灯具外壳表面有代表性的温度值，以验证仿真模拟的结果。从两者的对比来看，仿真计算结果能较准确地反映样品的温度分布情况，也表明该防爆灯具具有较好的散热效果，能满足石油、化工场所的散热要求。

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