LED照明灯具基于辐射散热的简化研究实验
谭杰1  ，张晓林1  ， 陈泽铠2
（1．深圳元晖光电科技有限公司  广东 深圳     2．智诚科技有限公司  广东 深圳  ）

摘要：本文从黑体辐射定律出发，基于商业CFD软件SolidWorks Flow Simulation模拟计算，对某型LED灯具进行简化设计，在保证灯具性能和可靠性的前提下大大降低灯具的重量、加工难度及成本。
关键词：黑体 表面辐射率  LED  散热器  CFD  SolidWorks Flow Simulation  对流

LED Lamps’ Heat Sink Simplified by Thermal Radiation Research And Test

Abstract: Based on thermal radiation , use the CFD soft ware SolidWorks Flow Simulation to calculate the model . Found the way to simplified the heat sink , reduce the weight and cost.
Key Works: Black Body  Surface Radiativity  LED  Heat Sink  CFD  SolidWorks Flow Simulation  Convection

1. 引言

LED以其低功耗，长寿命和高亮度等特点备受瞩目，正逐渐替代白炽灯和荧光管而成为第三代照明方式。各主要科技大国已经将LED照明项目纳入其发展规划。但LED要真正成为主流照明体，光学和散热问题必须解决。目前LED灯具的光效率大概为60lm/W，和普通T5系列的节能灯差不多，少数能达到85~90lm/W，离真正意义上的节能还有很长的路。用于LED发光的能量只占输入能量的15%左右，其余85%以热能的方式散发，由于LED体积小，内部集成度高造成发热量集中，若外部散热条件不好，必然会使节温上升，产生色温漂移、加速芯片老化，缩短产品寿命。因此，散热成为影响LED产品寿命及可靠性最关键的因素。

在考虑LED散热问题时，主要有两个途径：首先，LED向散热器的热传导过程；其次，散热器在LED传热时达到稳态时向外界的散热过程——对流与辐射。本文利用商业CFD软件SolidWorks Flow Simulation对某型灯具设计进行简化模拟分析，一改之前的模型样机测试，降低开发成本和风险的同时，大大缩短了模型样机制作的漫长周期，实现CAD与CAE的有机结合。

2. 原始模型的建立与分析

CFD软件与SolidWorks 3D软件之间是无缝连接，因此可以直接在SolidWorks中建立散热模型。LED模型参数如表一：

表一 LED 模型参数

散热外壳参数（表二）：

表二 散热外壳结构参数

散热器外形如 图一：

图一 散热器外形

将模型定义为外部流场状态，流体为空气。实际LED灯板为密集阵列，因此不需要对每个LED底部定义发热面，直接将LED灯板底面定义为发热面，发热功率为单个LED功率X LED数量X 光效系数，从而得到热功率为11.4W。定义辐射时，将模型外表面设置为真实辐射表面，查表得到白色漆表面红外辐射率ε为0.8并假设模型处在27℃环境中。由于使用CFD软件进行热分析，故不需要对流体对流系数做进行特殊定义，软件在分析时会自动求解模型周围流场，降低了使用门槛，也提高了分析精度。

图二

模型网格化后进行分析计算，得到稳态后温度及温度场的同时也可以求得周围流体状态。求解结果如图三：

图三：模型分析结果剖面图

可以观察到，模型最高温度发生在LED PCB上为45.9℃，周围及内部温度场如图三所示。

3. 简化模型及分析

由于初始模型重量大，达到560g，考虑到安装，运输及成本因素，决定在保证光学性能和产品可靠性的基础上对初始模型进行简化。最简单直接的方式是针对散热器，一改以往压铸工艺，采用旋压工艺。在保证产品出光效果的基础上得到以下改进模型，如表三：
改进后散热外壳参数（表三）：

表三   改进后散热外壳结构参数

改进后模型如图四： 

       
图四 改进后模型

建立分析模型，由于只是针对散热器进行改进，LED 灯板保持不变，所以LED模型也保持不变；设置散热器表面红外辐射系数ε为0.06，周围温度27℃。分析结果如图五：

图五 改进后模型分析结果

图中，在LED处模型达到最高温度，为60.5℃。由图六可以观察模型的表面温度分布情况。

图六 改进后模型表面温度分布

模型温度对于正常使用的产品来说偏高，假如产品在高温条件下使用时，LED节温很容易突破100℃，对LED是致命的。因此必须对该模型进行再改进，使其在重量减低的情况下再满足温度的要求。

4. 简化模型的改进及分析

由于铝壳是旋压的，未对表面处理时，其表面为抛光铝表面，辐射率ε极低，约0.06。为此需要对表面进行处理，查辐射率表得到，黑色油漆辐射率为0.95以上，白色功能油漆也能达到0.9以上，为了满足外观要求，本文决定使用白色功能油漆涂覆在铝壳上。建立模型，将铝壳外表面定义为白色油漆，设置油漆辐射率为0.9。分析得到LED最高温度为48.7℃，接近原始模型的温度。（分析结果如图七）

图七 简化模型改进后分析结果

图八 外表面温度分布

各模型表面辐射参数参看表四：

表四 各种表面辐射率

5. 真实模型测试及数据分析

根据以上分析结果，我们建立真实的模型样机，进行实际测量，结果如下 表五：

表五 实验对比数据

从以上数据可以观察到，实际模型与分析模型结果很接近，最大误差7.5%，因此工程上认为分析是可靠的。图九为三个模型的实际测试对比曲线。

图九 对比曲线

6. 结论

对于散热优化，一直是各LED产品制造商重点关注的问题，本文利用CFD软件对三个模型求解温度分布，结合对比实验找到了对散热器简化的新思路，得到一种增强辐射散热的方法，一改以往基于空气对流的肋片散热方案，使LED灯具摆脱了以往笨重的特点，并且大大降低了成本；同时，对今后的深入研究奠定了实验基础。

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