镁合金在LED灯具热仿真设计的应用

摘要：镁及镁合金密度小、强度高，在航空航天、军工及电子等行业有着广泛的应用。近年来，随着对镁合金研究的深入，镁合金由于优越的性能被开发和利用到更多的行业。文章分析了镁合金应用在LED灯具上散热的优势，使用CAE分析软件Flo EFD仿真和实际测试验证的方式，探索了镁合金作为LED灯具散热器的可行性。

关键词：镁合金；散热；LED灯具；热仿真设计；Flo EFD 文献标识码：A

中图分类号：TN312 文章编号：1009-2374（2015）25-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.031

1 概述

LED灯中的芯片是热流密度很大的电子元件。LED在工作时，会有80%左右的电能转化成了热能，20%的电能转化为光能。LED产生的热能主要是通过散热器传递到空气中。温度不但对LED的寿命有影响，而且对LED的几个性能特征包括光通量、正向电压、颜色、可靠性和光衰等都产生直接影响。在运行过程中，由于其静态与动态的损耗，会产生大量的多余热量。只有通过散热系统散发到外部，才能维持其工作温度的稳定。目前LED灯的发光效率较低，会引起结温升高，降低寿命，给设计应用上带来更大的挑战。散热问题日益严峻，散热性能优良的大功率LED的需求和研究已成为未来发展趋势。

2 镁合金的特点及优势

我国是镁矿富裕国，矿产资源占世界镁矿的50%。镁合金主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等，密度小（1.738g/cm?），强度高，具有良好的压铸成型性能。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。镁合金现在已经广泛应用于各行业，成为汽车、航空航天等轻量化设计和节能降耗的首选合金。

通常上认为铝合金的散热性能优于镁合金。由热扩散率公式α=λ/ρc，其中λ为热导率，ρ为材料密度

（kg/m?），c为比热容。热扩散率α的大小，反映了材料内部达到热平衡的快慢程度。由热扩散率公式可知，镁合金的热导率λ和热扩散率α与铝合金相比均较小。

但有文献资料表明，镁合金在空气中的散热性比铝合金要好，在相同的环境条件下，镁合金的降温速度比铝合金快。在环境温度下，材料表面以对流换热及与辐射方式将热量传递到周围环境中，降温速度主要与材料的容热能力ρc有关。ρc值的大小反映导热良好的材料在空气中冷却的快慢。材料的容热能力ρc值越小，降温速度越大。相比铝合金，镁合金在空气中温度降低

最快。

3 建立散热模型

建立散热模型，如图1所示。模型由LED及散热器组成。其中1是LED芯片，2是散热器。散热器的外形为圆台，上底的直径为58mm，下底的直径为105mm，高为118mm，中间为24片散热片。

热量的传递有热传导、热对流及热辐射三种方式。LED芯片产生的热量通过传导的方式，传递到LED封装的基板，由基板传递到散热器中，再由散热器以热对流及热辐射将热量传递到空气中。

对流是指由于随机分子运动和流体整体运动形成的热传递。在自然对流中，流动是由浮升力引起的，是流体中的温度变化而产生的密度差所致。热空气上升，冷空气下降，流动的空气将散热器翅片周围空气的热量带走。除此之外，散热器的表面会向周围环境发生热辐射，把热量散发到空气中。

4 软件模拟

Flo EFD是高度工程化的通用流体传热分析软件，广泛应用于航空航天、电子通讯、汽车、照明、工业机械等行业。它基于当今主流CFD软件都广泛采用的有限体积法（FVM）开发，实现仿真分析流程与设计流程的无缝结合。Flo EFD在模型转化、模型处理以及网格、收敛分析步骤中的独特技术，能极大地简化仿真工作，缩短仿真时间，方便优化产品性能和可靠性，同时减少样品试验和研发成本。

软件模拟的一般过程，包括定义分析类型、定义流体及固体材料、壁面设置、初始条件设置、求解及后处理。模拟的初始条件参数如表1所示：

5 模拟结果

经过求解计算收敛后，并对结果进行后处理，可以得到LED及散热器表面的温度分布图如图2所示：

6 测试及其结果

Fluke 54-IIB是手持式数字接触式温度计，具有快速响应功能和实验室的准确度[±0.05%+0.3℃]，为主要事件提供事件参考电子补偿功能，可以补偿电偶误差，最大限度地提高整体精度。

在实验室常温条件（温度22.7℃，湿度49% RH）下，使用珠型探头热电偶固定在LED测试点及散热器各点（相关测试点如图3所示），对样品进行点亮测试。

在LED点连续亮约2小时达到热稳定后，读取各测试点的温度值。模拟与测试的结果如表2所示：

7 结语

通过测试表明，实测的结果与模拟较为接近。由于模拟是在理想条件下进行，与实际测试条件有轻微差异，但差异在3%以内，是工程上可以接受的误差范围。这也说明了镁合金在LED灯具的散热上是可行的。

镁作为新型结构材料的应用也将迎来最好的机遇期，在新兴战略性产业的发展过程中，也将发挥更大的作用。镁合金除了应用LED及其他灯饰，汽车应用零部件，其他要求高质量、高强度、高韧性配件的理想材料，实现产品的轻量化，具有广泛的应用前景。

参考文献

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作者简介：黄型钢（1987-），男，广东阳春人，供职于广州广日电气设备有限公司，研究方向：LED汽车灯具结构、散热分析。

（责任编辑：陈 倩）