鎂合金在LED燈具熱仿真設計的應用

摘要：鎂及鎂合金密度小、強度高，在航空航天、軍工及電子等行業(yè)有著廣泛的應用。近年來，隨著對鎂合金研究的深入，鎂合金由于優(yōu)越的性能被開發(fā)和利用到更多的行業(yè)。文章分析了鎂合金應用在LED燈具上散熱的優(yōu)勢，使用CAE分析軟件Flo EFD仿真和實際測試驗證的方式，探索了鎂合金作為LED燈具散熱器的可行性。

關(guān)鍵詞：鎂合金；散熱；LED燈具；熱仿真設計；Flo EFD 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN312 文章編號：1009-2374（2015）25-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.031

1 概述

LED燈中的芯片是熱流密度很大的電子元件。LED在工作時，會有80%左右的電能轉(zhuǎn)化成了熱能，20%的電能轉(zhuǎn)化為光能。LED產(chǎn)生的熱能主要是通過散熱器傳遞到空氣中。溫度不但對LED的壽命有影響，而且對LED的幾個性能特征包括光通量、正向電壓、顏色、可靠性和光衰等都產(chǎn)生直接影響。在運行過程中，由于其靜態(tài)與動態(tài)的損耗，會產(chǎn)生大量的多余熱量。只有通過散熱系統(tǒng)散發(fā)到外部，才能維持其工作溫度的穩(wěn)定。目前LED燈的發(fā)光效率較低，會引起結(jié)溫升高，降低壽命，給設計應用上帶來更大的挑戰(zhàn)。散熱問題日益嚴峻，散熱性能優(yōu)良的大功率LED的需求和研究已成為未來發(fā)展趨勢。

2 鎂合金的特點及優(yōu)勢

我國是鎂礦富裕國，礦產(chǎn)資源占世界鎂礦的50%。鎂合金主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等，密度小（1.738g/cm?），強度高，具有良好的壓鑄成型性能。在實用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。鎂合金現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于各行業(yè)，成為汽車、航空航天等輕量化設計和節(jié)能降耗的首選合金。

通常上認為鋁合金的散熱性能優(yōu)于鎂合金。由熱擴散率公式α=λ/ρc，其中λ為熱導率，ρ為材料密度

（kg/m?），c為比熱容。熱擴散率α的大小，反映了材料內(nèi)部達到熱平衡的快慢程度。由熱擴散率公式可知，鎂合金的熱導率λ和熱擴散率α與鋁合金相比均較小。

但有文獻資料表明，鎂合金在空氣中的散熱性比鋁合金要好，在相同的環(huán)境條件下，鎂合金的降溫速度比鋁合金快。在環(huán)境溫度下，材料表面以對流換熱及與輻射方式將熱量傳遞到周圍環(huán)境中，降溫速度主要與材料的容熱能力ρc有關(guān)。ρc值的大小反映導熱良好的材料在空氣中冷卻的快慢。材料的容熱能力ρc值越小，降溫速度越大。相比鋁合金，鎂合金在空氣中溫度降低

最快。

3 建立散熱模型

建立散熱模型，如圖1所示。模型由LED及散熱器組成。其中1是LED芯片，2是散熱器。散熱器的外形為圓臺，上底的直徑為58mm，下底的直徑為105mm，高為118mm，中間為24片散熱片。

熱量的傳遞有熱傳導、熱對流及熱輻射三種方式。LED芯片產(chǎn)生的熱量通過傳導的方式，傳遞到LED封裝的基板，由基板傳遞到散熱器中，再由散熱器以熱對流及熱輻射將熱量傳遞到空氣中。

對流是指由于隨機分子運動和流體整體運動形成的熱傳遞。在自然對流中，流動是由浮升力引起的，是流體中的溫度變化而產(chǎn)生的密度差所致。熱空氣上升，冷空氣下降，流動的空氣將散熱器翅片周圍空氣的熱量帶走。除此之外，散熱器的表面會向周圍環(huán)境發(fā)生熱輻射，把熱量散發(fā)到空氣中。

4 軟件模擬

Flo EFD是高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，廣泛應用于航空航天、電子通訊、汽車、照明、工業(yè)機械等行業(yè)。它基于當今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法（FVM）開發(fā)，實現(xiàn)仿真分析流程與設計流程的無縫結(jié)合。Flo EFD在模型轉(zhuǎn)化、模型處理以及網(wǎng)格、收斂分析步驟中的獨特技術(shù)，能極大地簡化仿真工作，縮短仿真時間，方便優(yōu)化產(chǎn)品性能和可靠性，同時減少樣品試驗和研發(fā)成本。

軟件模擬的一般過程，包括定義分析類型、定義流體及固體材料、壁面設置、初始條件設置、求解及后處理。模擬的初始條件參數(shù)如表1所示：

5 模擬結(jié)果

經(jīng)過求解計算收斂后，并對結(jié)果進行后處理，可以得到LED及散熱器表面的溫度分布圖如圖2所示：

6 測試及其結(jié)果

Fluke 54-IIB是手持式數(shù)字接觸式溫度計，具有快速響應功能和實驗室的準確度[±0.05%+0.3℃]，為主要事件提供事件參考電子補償功能，可以補償電偶誤差，最大限度地提高整體精度。

在實驗室常溫條件（溫度22.7℃，濕度49% RH）下，使用珠型探頭熱電偶固定在LED測試點及散熱器各點（相關(guān)測試點如圖3所示），對樣品進行點亮測試。

在LED點連續(xù)亮約2小時達到熱穩(wěn)定后，讀取各測試點的溫度值。模擬與測試的結(jié)果如表2所示：

7 結(jié)語

通過測試表明，實測的結(jié)果與模擬較為接近。由于模擬是在理想條件下進行，與實際測試條件有輕微差異，但差異在3%以內(nèi)，是工程上可以接受的誤差范圍。這也說明了鎂合金在LED燈具的散熱上是可行的。

鎂作為新型結(jié)構(gòu)材料的應用也將迎來最好的機遇期，在新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，也將發(fā)揮更大的作用。鎂合金除了應用LED及其他燈飾，汽車應用零部件，其他要求高質(zhì)量、高強度、高韌性配件的理想材料，實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，具有廣泛的應用前景。

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作者簡介：黃型鋼（1987-），男，廣東陽春人，供職于廣州廣日電氣設備有限公司，研究方向：LED汽車燈具結(jié)構(gòu)、散熱分析。

（責任編輯：陳 倩）