烟囱效应在大功率LED灯具散热器设计中的影响分析

李本红，刘海林

(1.佛山职业技术学院，广东佛山528137;2.宁波大学信息学院，浙江宁波315211)

烟囱效应在大功率LED灯具散热器设计中的影响分析

李本红1*，刘海林2

(1.佛山职业技术学院，广东佛山528137;2.宁波大学信息学院，浙江宁波315211)

烟囱效应具有强化对流、增强换热的能力。本研究设计了一款基于烟囱效应的大功率LED灯具散热器，采用有限元分析法分析烟囱效应在散热器散热过程中的作用效果。分别探讨了烟囱的高度、烟道孔径以及烟囱个数对散热器散热性能的影响。研究表明，本研究中烟囱烟道孔径的最佳尺寸为6mm。烟囱的高度可依据散热器的高度设计取40 mm～50 mm。在设计条件允许的前提下，烟囱个数越多散热器散热效果越好。

烟囱效应;大功率LED;散热设计;有限元

近年来，大功率LED灯具凭借出色的节能与环保性能［1-5］已经广泛地应用到了生活中的各个照明领域，并在逐步取代白炽灯、荧光灯等传统的照明光源而成为照明领域的主导［6-7］。我国在大功率LED灯具封装领域具有较大规模的产业。在LED灯具的生产研发过程中，使用散热器及时有效地将大功率LED工作过程中产生的热量散发出去是关键一步，这将直接关系到产品的寿命和各项性能指标［8］。提高散热器的散热性能一般从选材入手，但在自然对流换热的条件下，通过合理的散热器结构设计，改善散热器周围的气动布局，同样可以在较大程度上提高散热器的散热性能［9］。

“烟囱效应”是指利用空气浮力差对空气形成一种抽运，进而强化自然对流的现象。烟囱效应已经广泛的应用到了具有共享中庭的建筑物和构筑物的通风排气中［10］。利用烟囱效应强化对流的特性，将其设计在电子设备的散热器中可以有效地提高散热性能［11］。相关的研究在国内外鲜有报道［12］。在实际的散热器设计中，并非具有烟囱结构就一定能够形成有效的烟囱效应，这里还必须要有合理的烟囱尺寸设计。

本研究设计了一款基于烟囱效应的大功率LED灯具散热器，如图1所示，利用有限元分析法分析烟囱高度、烟道孔径以及烟囱个数对散热器散热性能的影响。研究中烟囱效应的强弱直接关系到散热器散热性能的强弱，烟囱效应的强弱通过LED热源温度和仿真结果的流场、温度场分布来判断。

图1 一款基于烟囱效应的LED灯具散热器

1 基本参数的设定

本研究将搭配一款基于“烟囱效应”散热器的大功率LED筒灯作为研究对象。有限元分析的物理模型及建模尺寸如下:LED热源(LED器件)尺寸为1.2 mm×1.2 mm×0.1 mm，基板尺寸为4.5 mm ×3 mm×0.5 mm、灯罩、PCB板为环形，内径为3.5 mm，外径为19 mm，厚度为1.5 mm。散热器分为基座和主体两部分，基座的厚度为2 mm，主体部分为圆柱形，烟囱的进出口皆为正方形，烟囱高度H与烟道孔径D为变量。烟囱的纵截面示意图如图2中左图所示。为了模拟自然对流下的烟囱效应，需要给灯具加空气包围框，空气包围框为圆柱体，底面圆半径为80 mm，高度为290 mm。最终的建模示意图如图2中右图所示。

图2 烟囱横截面示意图与有限元最终建模示意图

建模所涉及的灯具的组件所用材料参数如表1所示。

表1 灯具封装材料物理参数

有限元软件参数设置:有限元仿真环境为1标准大气压下的自然对流，环境温度设置为35℃。热源的发热功率设置为2 W，激活能量方程、浮力驱动。空气的流动状态设置为层流。重力加速度为9.8 m/s2。为了节省运算时间，对所建模型取1/3对称。

2 结果与讨论

2.1 烟囱烟道孔径对烟囱效应的影响

通过在有限元分析软件中调整烟囱的烟道孔径D和烟囱高度H，我们探究了烟囱高度为30 mm～80 mm，烟道孔径为1 mm～16 mm下灯具散热器中的烟囱效应的强弱。获得了不同烟囱高度和烟道孔径下的灯具流场和温度场分布。图3、图4为烟囱高度为40 mm，烟道孔径为6 mm时的灯具流场和温度场分布图。

图3 烟囱流场分布图

图4 烟囱温度场分布图

综合实验数据得出烟道中心流速与烟道的孔径关系图如图5所示。从图中可以看出，在烟囱高度不变的情况下，烟道孔径小于5 mm时烟道内流速较小。当烟道孔径为5 mm时，流速达到最高值，随后随着烟道孔径的增大，中心流速又缓慢下降。热源的温度与烟道孔径的关系如图6所示，从中可以看出，在烟道孔径低于6 mm时，热源的温度居高不下，从6 mm开始温度急剧下降。烟道孔径的最佳尺寸在6 mm处。

图5 不同烟囱高度下烟道中心流速与烟道的孔径关系图

图6 不同烟囱高度下热源温度与烟道的孔径关系图

分析原因在于，当烟道孔径小于5 mm时，由于烟道边界阻力的影响，烟道内几乎没有空气流动，即烟囱效应并不明显。热源产生的热量不能及时有效地随烟囱内的气流扩散到环境中去，因此热源温度居高不下。当烟道孔径达到5 mm时，虽然烟道中心流速具有较高值，但受到烟道表面积的限制，热源温度并没有明显下降。当烟道孔径从6 mm开始，烟道内中心流速增大，烟囱效应明显增强，提高了散热器与周围环境的对流换热系数，同时烟道也具有较大的表面积，根据牛顿冷却定律可知，对流换热系数以及散热表面积的增大可以提高散热量，进而导致热源温度的急剧下降。

2.2 烟囱高度的影响

从图5中还可以看出，随着烟囱高度的增大，烟囱烟道内的中心流速逐渐增大，但是增势较为缓慢，随着烟囱高度的进一步增大，烟道内的中心流速趋于稳定。由此可见本研究中散热器中的烟囱效应在烟囱高度超过40 mm后，对烟囱高度的依赖性较小。从图6中也可以看出，随着烟囱高度的增大，热源的温度也仅有较小的降幅。在实际的散热器设计中，烟囱的高度可以更多的参考散热器的高度，取40 mm～50 mm。

2.3 烟囱个数的影响

固定烟囱的烟道孔径为6 mm，烟囱高度为40 mm，探究LED散热器中烟囱个数对散热器散热性能的影响。依次分析了散热器中烟囱个数从2～18时的灯具散热效果。结果显示，随着烟囱个数的增大，热源的温度呈现逐渐下降的趋势，热源温度从127.3℃降到了102.2℃，如图7所示。烟囱个数的增大，不仅增大了散热器的散热表面积，而且很大程度上改变了散热器周围空气的气动布局。在烟囱效应的作用下，热源产生的热量源源不断地随着上升气流扩散到环境中去，使得热源温度不断下降。

图7 热源温度与烟囱个数关系图

3 结论

本研究使用有限元分析法分析了烟囱效应在大功率LED散热器的影响。研究结果如下:

将烟囱效应现象应用到大功率LED的散热器设计中可以有效提高散热器的散热性能，大大丰富了散热器研发的设计思路。本研究中最佳的烟囱设计如下:

(1)本研究中烟囱效应最佳的烟道孔径不应低于6 mm，烟囱高度在超过40 mm后对烟囱效应的强度影响不大，在实际的散热器设计中可参考散热器的高度将烟囱高度设置为40 mm～50 mm。

(2)在最佳烟囱效应的烟囱尺寸下，烟囱个数越多，散热器散热性能越好。但是在实际的设计应用中还要参照散热器的尺寸以及加工工艺的难易程度来确定烟囱的个数。

［1］ 严华锋，徐光明.半导体照明进入传统照明市场分析［J］.半导体照明，2010，10(8):16-17.

［2］ 李兴林.半导体照明工程技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［3］ James Pratt.扩产与技术提升同步［J］.半导体照明，2010，10 (8):34-35.

［4］ 王声学，吴广宁，蒋伟.LED原理及其照明应用［J］.灯与照明，2006，30(4):32-35.

［5］ James M Gee，Jeffrey Y Tsao，Jerry A Simmons.Prospects for LED Lighting［J］.Proc of SPIE，2004，5187:227-233.

［6］ Schuber E F，Kim J K.Solid-State Light Sources Getting Smart［J］.Science，2005，308(5726):1274-1278.

［7］ 周太明，宋贤杰，周伟.LED:21世纪照明新光源［J］.照明工程学报，2001，12(4):37-40.

［8］ 李炳乾，布良基.LED正向压降随温度的变化关系研究［J］.光子学报，2003，32(11):1349-1351.

［9］ Adam Christensen，Samuel Graham.Thermal Effects in Packaging High Power Light Emitting Diode Arrays［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29:364-371.

［10］张靖岩，霍然，王浩波，等.烟囱效应形成机理的实验［J］.中国科学技术大学学报，2006，36(1):73-76.

［11］Auletta A，Manca O，Morrone B，et al.Heat Transfer Enhancement by the Chimney Effect in a Vertical Isoflux Channel［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44:4345-4357.

［12］李静，姬升涛，刘建勇，等.电子器件散热装置的烟囱效应分析［J］.电子与封装，2011，6(11):36-40.

李本红(1974- )，男，汉族，佛山职业技术学院，讲师，现从事工业控制分析和工业控制设计方面研究，lhxy0301@ sina.com。

Analysis of the Chimney Effect in Thermal Design of High-Power LED Lamps Radiator

LI Benhong1*，LIU Hailin2

(1.Foshan Vocational and Technical College，Foshan Guangdong 528137，China; 2.College of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China)

The chimney effect could enhance the convection and heat transfer.This study has designed a high-power LED lamps radiator based on chimney effect.The effect of the chimney designed in radiator was analyzed by finite element analysis method.The cooling performance of radiator was explored by changing the chimney height，flue aperture，and chimney number.The results show that the best chimney flue aperture size is 6mm.The chimney height can design to 40 mm～50 mm based on the height of the radiator design.With the design conditions permitting，the more the chimney number the better the thermal performance of radiator heat.

chimney effect;high-power LED;thermal design;finite element

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.011

TM923.48

A

1005－9490(2014)02－0221－04

2013-05-29修改日期:2013-06-18

EEACC:4200D