煙囪效應在大功率LED燈具散熱器設計中的影響分析

李本紅，劉海林

(1.佛山職業技術學院，廣東佛山528137;2.寧波大學信息學院，浙江寧波315211)

煙囪效應在大功率LED燈具散熱器設計中的影響分析

李本紅1*，劉海林2

(1.佛山職業技術學院，廣東佛山528137;2.寧波大學信息學院，浙江寧波315211)

煙囪效應具有強化對流、增強換熱的能力。本研究設計了一款基于煙囪效應的大功率LED燈具散熱器，采用有限元分析法分析煙囪效應在散熱器散熱過程中的作用效果。分別探討了煙囪的高度、煙道孔徑以及煙囪個數對散熱器散熱性能的影響。研究表明，本研究中煙囪煙道孔徑的最佳尺寸為6mm。煙囪的高度可依據散熱器的高度設計取40 mm～50 mm。在設計條件允許的前提下，煙囪個數越多散熱器散熱效果越好。

煙囪效應;大功率LED;散熱設計;有限元

近年來，大功率LED燈具憑借出色的節能與環保性能［1-5］已經廣泛地應用到了生活中的各個照明領域，并在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統的照明光源而成為照明領域的主導［6-7］。我國在大功率LED燈具封裝領域具有較大規模的產業。在LED燈具的生產研發過程中，使用散熱器及時有效地將大功率LED工作過程中產生的熱量散發出去是關鍵一步，這將直接關系到產品的壽命和各項性能指標［8］。提高散熱器的散熱性能一般從選材入手，但在自然對流換熱的條件下，通過合理的散熱器結構設計，改善散熱器周圍的氣動布局，同樣可以在較大程度上提高散熱器的散熱性能［9］。

“煙囪效應”是指利用空氣浮力差對空氣形成一種抽運，進而強化自然對流的現象。煙囪效應已經廣泛的應用到了具有共享中庭的建筑物和構筑物的通風排氣中［10］。利用煙囪效應強化對流的特性，將其設計在電子設備的散熱器中可以有效地提高散熱性能［11］。相關的研究在國內外鮮有報道［12］。在實際的散熱器設計中，并非具有煙囪結構就一定能夠形成有效的煙囪效應，這里還必須要有合理的煙囪尺寸設計。

本研究設計了一款基于煙囪效應的大功率LED燈具散熱器，如圖1所示，利用有限元分析法分析煙囪高度、煙道孔徑以及煙囪個數對散熱器散熱性能的影響。研究中煙囪效應的強弱直接關系到散熱器散熱性能的強弱，煙囪效應的強弱通過LED熱源溫度和仿真結果的流場、溫度場分布來判斷。

圖1 一款基于煙囪效應的LED燈具散熱器

1 基本參數的設定

本研究將搭配一款基于“煙囪效應”散熱器的大功率LED筒燈作為研究對象。有限元分析的物理模型及建模尺寸如下:LED熱源(LED器件)尺寸為1.2 mm×1.2 mm×0.1 mm，基板尺寸為4.5 mm ×3 mm×0.5 mm、燈罩、PCB板為環形，內徑為3.5 mm，外徑為19 mm，厚度為1.5 mm。散熱器分為基座和主體兩部分，基座的厚度為2 mm，主體部分為圓柱形，煙囪的進出口皆為正方形，煙囪高度H與煙道孔徑D為變量。煙囪的縱截面示意圖如圖2中左圖所示。為了模擬自然對流下的煙囪效應，需要給燈具加空氣包圍框，空氣包圍框為圓柱體，底面圓半徑為80 mm，高度為290 mm。最終的建模示意圖如圖2中右圖所示。

圖2 煙囪橫截面示意圖與有限元最終建模示意圖

建模所涉及的燈具的組件所用材料參數如表1所示。

表1 燈具封裝材料物理參數

有限元軟件參數設置:有限元仿真環境為1標準大氣壓下的自然對流，環境溫度設置為35℃。熱源的發熱功率設置為2 W，激活能量方程、浮力驅動。空氣的流動狀態設置為層流。重力加速度為9.8 m/s2。為了節省運算時間，對所建模型取1/3對稱。

2 結果與討論

2.1 煙囪煙道孔徑對煙囪效應的影響

通過在有限元分析軟件中調整煙囪的煙道孔徑D和煙囪高度H，我們探究了煙囪高度為30 mm～80 mm，煙道孔徑為1 mm～16 mm下燈具散熱器中的煙囪效應的強弱。獲得了不同煙囪高度和煙道孔徑下的燈具流場和溫度場分布。圖3、圖4為煙囪高度為40 mm，煙道孔徑為6 mm時的燈具流場和溫度場分布圖。

圖3 煙囪流場分布圖

圖4 煙囪溫度場分布圖

綜合實驗數據得出煙道中心流速與煙道的孔徑關系圖如圖5所示。從圖中可以看出，在煙囪高度不變的情況下，煙道孔徑小于5 mm時煙道內流速較小。當煙道孔徑為5 mm時，流速達到最高值，隨后隨著煙道孔徑的增大，中心流速又緩慢下降。熱源的溫度與煙道孔徑的關系如圖6所示，從中可以看出，在煙道孔徑低于6 mm時，熱源的溫度居高不下，從6 mm開始溫度急劇下降。煙道孔徑的最佳尺寸在6 mm處。

圖5 不同煙囪高度下煙道中心流速與煙道的孔徑關系圖

圖6 不同煙囪高度下熱源溫度與煙道的孔徑關系圖

分析原因在于，當煙道孔徑小于5 mm時，由于煙道邊界阻力的影響，煙道內幾乎沒有空氣流動，即煙囪效應并不明顯。熱源產生的熱量不能及時有效地隨煙囪內的氣流擴散到環境中去，因此熱源溫度居高不下。當煙道孔徑達到5 mm時，雖然煙道中心流速具有較高值，但受到煙道表面積的限制，熱源溫度并沒有明顯下降。當煙道孔徑從6 mm開始，煙道內中心流速增大，煙囪效應明顯增強，提高了散熱器與周圍環境的對流換熱系數，同時煙道也具有較大的表面積，根據牛頓冷卻定律可知，對流換熱系數以及散熱表面積的增大可以提高散熱量，進而導致熱源溫度的急劇下降。

2.2 煙囪高度的影響

從圖5中還可以看出，隨著煙囪高度的增大，煙囪煙道內的中心流速逐漸增大，但是增勢較為緩慢，隨著煙囪高度的進一步增大，煙道內的中心流速趨于穩定。由此可見本研究中散熱器中的煙囪效應在煙囪高度超過40 mm后，對煙囪高度的依賴性較小。從圖6中也可以看出，隨著煙囪高度的增大，熱源的溫度也僅有較小的降幅。在實際的散熱器設計中，煙囪的高度可以更多的參考散熱器的高度，取40 mm～50 mm。

2.3 煙囪個數的影響

固定煙囪的煙道孔徑為6 mm，煙囪高度為40 mm，探究LED散熱器中煙囪個數對散熱器散熱性能的影響。依次分析了散熱器中煙囪個數從2～18時的燈具散熱效果。結果顯示，隨著煙囪個數的增大，熱源的溫度呈現逐漸下降的趨勢，熱源溫度從127.3℃降到了102.2℃，如圖7所示。煙囪個數的增大，不僅增大了散熱器的散熱表面積，而且很大程度上改變了散熱器周圍空氣的氣動布局。在煙囪效應的作用下，熱源產生的熱量源源不斷地隨著上升氣流擴散到環境中去，使得熱源溫度不斷下降。

圖7 熱源溫度與煙囪個數關系圖

3 結論

本研究使用有限元分析法分析了煙囪效應在大功率LED散熱器的影響。研究結果如下:

將煙囪效應現象應用到大功率LED的散熱器設計中可以有效提高散熱器的散熱性能，大大豐富了散熱器研發的設計思路。本研究中最佳的煙囪設計如下:

(1)本研究中煙囪效應最佳的煙道孔徑不應低于6 mm，煙囪高度在超過40 mm后對煙囪效應的強度影響不大，在實際的散熱器設計中可參考散熱器的高度將煙囪高度設置為40 mm～50 mm。

(2)在最佳煙囪效應的煙囪尺寸下，煙囪個數越多，散熱器散熱性能越好。但是在實際的設計應用中還要參照散熱器的尺寸以及加工工藝的難易程度來確定煙囪的個數。

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李本紅(1974- )，男，漢族，佛山職業技術學院，講師，現從事工業控制分析和工業控制設計方面研究，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