导流散热型LED灯的热分析与试验研究

王 祥，吴清文，杨献伟，高建国，黄 勇，徐振邦

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033；2.中国科学院大学，北京100039；3.都江堰光明光电材料有限责任公司，四川 成都610000）

引言

发光二极管（LED）是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，因为它寿命长（约是荧光灯的5倍）、光效高（约是荧光灯的10倍）、功耗低（同样照明效果的情况下，耗电量仅是荧光灯的一半），因而被广泛应用于LED节能灯的领域［1］，然而，LED散热问题一直阻碍它的大力发展。目前LED的电光转换率能够达到15%～35%，其余65%～85%均转化为热能［2］。LED的尺寸比较小，仅为1mm×1mm～2.5mm×2.5mm，热流密度高达100W／cm2，属于高热流密度器件［3］。而LED灯的温度过高会带来很多问题，诸如光输出降低、发射的光波发生红移、色温和显色系数发生变化、寿命按指数缩短和器件稳定性降低［4］等。因此若想提高LED灯的使用寿命和稳定性，需要有效解决LED灯的散热问题。目前业界对于大功率LED光源产品的散热一般采用固体传导式散热。散热片采用大量的铝、锌合金等材质进行冲压或压铸制作；热管、纳米传热技术、微通道、风扇等主动散热技术也多被采用［5］。虽然上述方法在一定程度上都能够起到散热的目的，但无论哪种散热方式，都提高了制造难度，增加了生产成本，并且产品设计上也存在诸多掣肘。由于自然对流自身有安全、经济、无噪音等优点，非常适合于LED灯的散热，本文研究的LED灯主要依靠自然对流的方式进行散热。通过在灯杯体四周开设多组对流孔的形式来提高散热能力，这种散热方式能够简化灯体结构、提高制造工艺性，明显降低成本。通过对LED灯在有、无空气导流情况下进行了热仿真分析，结合试验验证了仿真模型的正确性。对影响LED灯散热的几个因素进行灵敏度分析，提出了进一步提高LED灯散热能力的建议。

1 LED灯及其热设计

该型号空气导流式LED灯主要由灯头、灯杯、灯盖、线路板和基板几个部分组成，具体结构如图1。为了提高其散热能力，采取了以下散热措施：

图1 某型号LED灯结构简图Fig.1 Structural diagram of an LED lamp

1）灯杯四周开设多组对流孔，起到导流的作用；

2）为了减少基板与灯杯之间的接触热阻，二者用导热胶固结；

3）为了加强辐射散热，该型号节能灯的灯盖采用镀有红外增透膜的特种玻璃；

4）基板下表面通过涂白漆的方式来提高发射率［6］。

该型号的LED灯在热传导、热辐射两种散热方式的基础上，还引入了灯体内部自然对流散热。在LED灯内部，因温度梯度和重力引起空气的自然对流，灯内热空气沿上通风口流出，导致灯内的压强降低，冷空气沿着下通风口流入灯内，在对流的作用下冷空气带走大量热量，从而起到散热的目的。

2 仿真分析

仿真与试验的过程中均忽略灯罩对自然对流的影响。有空气导流散热孔时，该型号的LED灯的传热问题属于“辐射-对流-传导”耦合传热。而无空气导流散热孔时，灯体内部的对流强度非常弱，按传导模型来简化，这种情况下主要考虑辐射换热、传导换热以及灯体外部与空气的对流换热。

该型号LED灯的额定输入功率为5W，按照光电转换率为30%计算，有3.5W的电能转换成热能。利用I-DEAS／ESC软件建立热仿真分析模型。将转化为热能的功耗全部集中在8个均匀分布的LED上，环境温度取试验室实测温度23℃。

2.1 单元类型和材料属性

仿真分析模型中，各部件材料属性和单元类型如表1所示。灯盖材料为表面镀有红外增透膜的玻璃，其红外透过率高达0.94；基板的材料为铝，上表面发射率为0.2，下表面涂有白漆，发射率为0.6。

表1 材料属性Table 1 Material properties

网格划分时，除空气选择实体单元外，其余均选择壳体单元。在不采用空气导流技术的情况下，模型中共3 396个节点，4 699个单元；在采用空气导流散热技术的情况下，共10 868个节点，31 579个单元。

2.2 参数取值

1）辐射换热分析

该LED灯可以等效为封闭腔的辐射传热，经TMG计算得到各个表面之间的视角系数如表2。其中基板对灯杯、基板对灯盖、灯盖外表面对空气、灯杯内表面对空气建立的辐射视角系数均设置为1。

表2 视角系数的设置Table 2 View factor settings

2）热传导分析

该热分析模型中采用内、外两层壳体单元来划分组件的网格，因此需通过设置两层壳体之间的传导系数来模拟材料自身传导热阻，传导系数的计算公式：

式中：λ为材料的导热系数；d为材料的厚度。

玻璃的导热系数一般为0.65～0.71W／（m·K），故厚度为3mm的灯杯内、外表面传热系数为220W／（m2·K）；厚度为2mm的灯盖的内、外表面传热系数为320W／（m2·K）。

模型中除了考虑部件自身传导传热外，还需考虑部件之间接触传热，一般直接接触的传热系数小于200W／（m2·K），涂有导热胶时传热系数大于500W／（m2·K）［7-8］，修正后的接触传热系数取值如表3。

表3 接触热阻的取值Table 3 Thermal contact resistance value

3）对流换热分析

该型号LED灯设有空气导流散热孔，热分析模型中应重点考虑自然对流换热。将灯体与空气的对流换热分为内部对流和外部对流两类，对流换热系数h的经验式如式2、式3［9］。

内部对流换热时：

外部对流换热时：

式中v为空气流速，单位为m／s。

通常自然对流的空气流速小于0.5m／s，热仿真模型中，灯体内部的对流换热系数均取2.92W／（m2·K），灯体外部的对流换热系数均取5.5W／（m2·K）。

定义PCB板2个表面的特征，以此来描述其粗糙度。其中粗糙度为2mm来表示元件组成面，粗糙度为0.5mm来表示焊点面。

定义12个和自然环境换热的通风口，考虑到入口流速的影响，在8个入口处压头损失系数设置为1。

修正后的热仿真模型的计算结果见图2～图4，其中图2为无空气导流孔的情况下，LED灯稳态的温度分布。图3、图4为采用空气导流散热技术后，灯内空气流速、灯内空气温度以及灯体温度的分布。

图2 无空气导流散热孔时LED灯温度分布图Fig.2 Temperature distribution of LED lamp without air vents

由图2可见，在没有空气导流散热孔的情况下，LED的结温为82.57℃。灯杯外表面的平均温度约为51.45℃。

由图3（a）可知，空气流入灯体时温度为23℃，流出时温度为53℃，升高了30℃，贴壁处流体温度等于壁面温度；由图3（b）可知，灯内的流速分布有两头小中间大的特点，贴壁处由于粘性作用空气流速接近为0。最大流速出现在上出风口处，流速为102.48mm／s。由图4可知，此时LED的结温为73.95℃，灯内材料或器件的温度以LED为中心向四周逐渐降低，灯体平均温度约为43.46℃。

与无空气导流散热孔情况下的温度相比，有空气导流条件下结温下降了8.62℃，灯体平均温度下降了7.99℃。

3 试验验证

3.1 试验装置

为验证开设空气导流散热孔后的散热效果，进行了以下2个试验，试验装置见图5，主要由试验支架、Keithley测温仪、热电偶（带电缆）、PC机、电源等几部分组成。

图5 试验装置简图Fig.5 Test equipment

a）试验1。在有导流散热孔的情况下，温度传感器的3个测点分别采集LED结点、灯体中部典型位置、室内的温度，代号依次为T1、T2和T3。

b）试验2。在试验1的基础上，将导流孔密封，测点位置与试验1一致，代号分别为T1′、T2′、T3′。

3.2 试验结果

LED灯点亮约40min后各个测点温度趋于稳定，温度随时间变化曲线如图6，其中室温基本保持在（23±0.5）℃范围内，在有、无空气导流孔的情况下，LED结点测点温度分别为73.81℃和81.72℃。

图6 有、无导流孔时的温度曲线Fig.6 Temperature curves with and without vents

3.3 仿真结果与试验结果对比

仿真结果与试验结果对比见表4。

表4 有、无导流孔时试验值与仿真值对比Table 4 Test values compared with simulated values with and without vents

由上表可见，仿真结果与试验结果基本吻合，误差均小于4%，可以认为仿真模型可靠。试验结果显示，有导流散热孔时结温降低了7.91℃，降温幅度为9.7%；仿真结果显示，有导流散热孔的情况下结温降低了8.62℃，降温幅度为10.4%。综合仿真结果与试验结果可见，在采用空气导流散热技术的情况下，温度降幅约为10%。

图7为LED半衰期随结温的变化曲线，LED的寿命随温度的升高迅速下降，然后趋于平缓。当结温低于80℃时，继续降低LED的结温，将明显延长LED工作寿命。根据上述仿真及试验结果，当LED结温由82℃降至73℃时，LED的寿命能够延长约2 000h。

图7 LED半衰期随结温的变化曲线Fig.7 Curve of half-life versus junction temperature

4 其他散热方案与讨论

为进一步得到提高LED灯散热能力的方案，我们采用如下的方法进行研究：首先列举出可能影响其散热的因素，然后通过对修正后的仿真模型对这些因数进行灵敏度分析。

分析结果见图8，其中黑点所在的位置表示热仿真模型中修正后的参数对应的温度。图8（a）为结温与基板下表面的发射率的关系曲线（计算中发现基板上表面对结温的影响甚微，因此不作讨论）、图8（b）为结温与基板和灯杯之间的接触热阻的关系曲线，图8（c）为结温与导流孔和LED之间的距离的关系曲线。

由图8可见，基板下表面发射率、传热系数、导流孔和LED的距离3个因素对结温影响比较大。为了进一步降低结点温度，还可以通过以下3种方式：1）增加基板下表面的发射率；2）增加各接触面之间的传热系数；3）对温度特别敏感的原件应该放置于冷风入口处，此时从对流传热的角度考虑，该处流体温度最低换热温差大。从辐射传热的角度考虑该处电子元件对冷表面的角系数远大于将元件置于印制板中间位置时的数值，因此也增加了辐射传热。

图8 结温与各参数关系曲线Fig.8 Curves of junction temperature versus parameters

仿真分析表明：对流孔的增大，可以提高散热能力，但实际应用中孔的边长需要控制在2mm以内，因此建议在控制对流孔尺寸的同时，尽量增加导流孔的数量。结合该LED灯的尺寸发现，对流孔的数量可以在原基础上扩大一倍，即上面的导流孔的个数由4增至8，下面的导流孔的个数由8增至16，对流孔的具体形状以及布置方式可以作进一步的研究。

5 结论

通过对LED灯进行空气导流散热的设计、分析和试验等工作，得出以下结论：

1）空气导流散热技术在LED节能灯上应用能有效地降低LED器件的结温，从而明显地延长其使用寿命；

2）LED的结温随着导流孔与LED之间的距离增大而升高，随着基板下表面发射率的增大而降低，随着基板与灯杯之间接触传热系数的增大而降低，以上结论可供相关产品的散热设计参考。

3）多次修正迭代后的热仿真模型与试验结果一致性较高，模型中参数取值可信。有关设计与分析方法可以推广应用于同类产品的开发，可加速产品开发进程，节约开发成本。

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