LED球泡燈塑包鋁散熱器的設計與實驗

廖　炫，郭震寧，潘詩發，顏穩萍，李建鵬

(華僑大學信息科學與工程學院，福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門　361021)

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LED球泡燈塑包鋁散熱器的設計與實驗

廖炫，郭震寧，潘詩發，顏穩萍，李建鵬

(華僑大學信息科學與工程學院，福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門361021)

利用有限元CFD仿真軟件對一款LED塑料包裹鋁制散熱套件(以下簡稱“塑包鋁”)球泡燈進行熱仿真。通過對比實際測量溫度及仿真溫度驗證所建模型及模擬步驟的正確性，并在此基礎上，采用正交優化設計方法分析了塑料厚度、鋁厚度等各個關鍵因素對散熱和質量的影響，綜合兩者考慮得出了最佳參數組合。結果表明：通過正交試驗優化后，雖然散熱器質量有了一定增加，但是LED的基板溫度由原來的96.05℃降為88.85℃，下降了7.2℃，散熱效果得到明顯改善。

CFD； 塑包鋁； 正交優化； 散熱

引言

第四代光源LED由于其自身節能、環保、壽命長等優勢，正逐步取代傳統光源而被廣泛運用于各種燈具之中。但受目前的生產技術限制，大功率LED產品僅有約20%左右的輸入功率轉換為光能，剩下的80%左右均轉換為熱能[1]。若這些熱量不能及時散出去，會使LED壽命縮短，色漂加劇，產生嚴重光衰等不良影響。因此，良好的散熱結構設計是提高LED壽命和穩定性的保證。而目前絕大多數的燈具采用的散熱器均為鋁制散熱器，雖然可以達到散熱目的，但是一方面由于鋁質量較大且價格不便宜，另一方面采用鋁制散熱器就必須使用隔離電源驅動，從而增加燈具成本。因此，開發新的散熱材料顯得十分必要。有不少學者[2-4]采用高導熱塑料散熱，雖然塑料的熱輻射能力強，但是導熱能力畢竟有限，因此散熱效果不佳。而塑包鋁結構散熱器包含這兩種材料的優點，散熱效果明顯。同時該結構可以采用隔離電源，可進一步降低燈具成本，因而具有廣泛的運用前景。

采用有限元CFD仿真軟件進行散熱模擬仿真分析，可以全面分析LED燈具的熱傳導、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內外的溫度場和流場等，非常適用于目前LED照明燈具散熱模擬仿真[5-9]。本文基于有限元原理，使用正交試驗設計方法對LED塑包鋁球泡燈的散熱進行優化，通過流體力學CFD仿真軟件進行散熱模擬仿真得出最佳尺寸參數組合，使散熱效果更佳，延長LED燈壽命。

1　理論與模型建立

1.1理論基礎

根據傳熱學原理，在三維直角坐標系中，含有內熱源的LED軌道射燈的溫度場滿足[10]

(1)

式中，λx，λy，λz分別為x,y,z方向上的熱導率；qv為內熱源的發熱率；T為溫度；ρ為密度；cv比熱容。

將控制微分方程轉化為等效的積分形式

(2)

LED塑包鋁球泡燈可通過傳導、對流和熱輻射三種方式散熱。分別根據傅立葉定理、牛頓冷卻方程和史蒂芬-玻爾茲曼定律可得以下三式

(3)

(4)

(5)

聯立式(1)～式(5)并進行有限元離散可得：

(6)

有限元CFD仿真軟件通過求解(6)式，即可得知各個點的溫度。

1.2模型建立

以某公司的一款7W LED塑包鋁球泡燈為研究對象。運用三維制圖SOILDWORKS軟件建立模型如圖1(a)所示，圖1(b)是(a)中散熱器部分的剖面視圖，其壁面由內而外分別是導熱塑料、鋁、導熱塑料，圖中A、B、C、D、E分別表示塑料厚度、鋁厚度、散熱器高度、鋁底板厚度、底邊直徑。各個參數具體尺寸分別為：1mm、1mm、36mm、1mm、50mm。為了加快熱仿真效率，在不影響散熱的情況下，對模型一些微小尺寸做適當的簡化，即底部基板螺紋孔簡化為與之直徑相等的圓柱孔，燈頭部分簡化為圓柱。

圖1　LED球泡燈模型及散熱器剖面Fig.1　LED bulb model and radiator section

2　模型熱仿真與實驗驗證

2.1模型熱仿真

運用文獻[12]所述方法進行仿真。燈具各材料的熱導率見表1(表中Tc表示熱導率)，LED的光電轉化效率為20%，即有80%的輸入功率轉換為熱量，塑料的熱發射率設為0.9，環境溫度設為25℃，同時考慮到電源屬于外置電源，故在模擬仿真時不需要考慮其發熱量。熱仿真溫度分布云圖如圖2所示。由圖可知，基板最高溫度為96.05℃。

表1　LED塑包鋁球泡燈燈具材料和熱導率

圖2　LED塑包鋁球泡燈仿真溫度分布云圖Fig.2　Temperature distribution figure of LED bulb plastic-coated aluminum simulation

2.2實驗測量驗證

為了驗證上述模型及模擬步驟的準確性，采用YOKOGAWA公司旗下的MV2000，實驗平臺如圖3(a)所示，測試點如圖(b)所示。LED塑包鋁球泡燈實測最高溫度為94.90℃，和仿真所得溫度只差1.15℃，誤差為1.2%，表明可以采用上述簡化模型做進一步研究，與此同時驗證了模擬步驟的正確性。

圖3　實驗測試平臺及測試點Fig.3　Experimental test platform and test points

3　正交試驗優化設計

3.1正交實驗法

正交實驗設計是研究多因素決定某種特性的設計方法。該方法具有所需實驗次數少，數據均勻分散、齊整可比等優點[13]。

將該方法引入到LED塑包鋁散熱器設計中，即通過優化塑包鋁散熱器的尺寸，結構及用料，綜合成本和散熱效果，從而找到最佳參數組合。此優化具有以下兩方面的效果：1)散熱效果相同時，可減少散熱器的質量； 2)保證散熱器質量相等時，可降低LED溫度。

3.2優化設計

以上述的A、B、C、D、E為正交表中的關鍵因子，結合正交表L16(45)[14]可列出表2。以表中的數據建立相應的模型，在CFD中進行熱仿真，可以得出在不同實驗參數下LED塑包鋁球泡燈的最高溫度和散熱器的質量，分別填入表中T、W兩列。

表2　LED塑包鋁球泡燈正交實驗安排表

注：①塑包鋁散熱器中ρ鋁=2.7g/cm3，ρ塑料=1.4g/cm3；②T為LED的最高溫度，W為塑包鋁散熱器的質量。

通過正交實驗極差分析并結合表2數據，整理可得A、B、C、D、E五個參數對溫度及散熱器質量的影響趨勢(如圖(4)～圖(8)所示)和各個參數的極差表(表3)。

圖4　塑料厚度和基板溫度及散熱器質量關系Fig.4　Relationship between plastic thickness and substrate temperature and radiator quality

圖5　鋁厚度和基板溫度及散熱器質量關系Fig.5　Relationship between aluminum thickness and substrate temperature and radiator quality

圖6　高度和基板溫度及散熱器質量關系Fig.6　Relationship between height and substrate temperature and radiator quality

圖7　鋁底板厚度和基板溫度及散熱器質量關系Fig.7　Relationship between aluminum plate thickness and substrate temperature and radiator quality

圖8　底邊直徑和基板溫度及散熱器質量關系Fig.8　Relationship between bottom diameter and substrate temperature and radiator quality

表3　各個參數極差表

綜合圖4～圖8和正交試驗的極差定理(極差值見表3)可以發現：不同參數對燈具基板溫度和散熱器質量兩個目標的影響效果不一樣。塑料底邊直徑E對燈具溫度的影響最大，散熱器高度C影響次之，接下來分別是鋁底板厚度D，塑料厚度B，鋁厚度A影響最小；而對于散熱器質量這個目標而言，鋁厚度B影響最大，散熱器高度C影響最小，各參數的影響順序從大到小為B、E、D、A、C。考慮到LED塑包鋁球泡燈散熱器質量本身較小且其相對整燈質量所占比例也較小，因此將燈具溫度作為主要目標，塑包鋁散熱器質量為次要目標進行優化。根據優化結果綜合考慮可知最佳參數組合為A2B1C2D3E4，即塑料厚度A為1mm，鋁厚度B為0.7mm，高度C為36mm，鋁底板厚度D為2mm，底邊直徑E為56mm。顯然這種參數組合不在原來的正交表內，故以這些參數建立模型并按上述步驟進行仿真，得到優化后的LED塑包鋁球泡燈仿真溫度分布云圖(見圖9)和散熱器質量見表4，為了便于比較表中列出了優化前的數據。由表4可知，優化后的LED最高溫度為88.85℃，比優化前降低了7.2℃。

表4　模型優化前后比較

圖9　優化后LED塑包鋁球泡燈仿真溫度分布云圖Fig.9　Temperature distribution figure of optimized LED bulb plastic-coated aluminum simulation

4　結論

本文模擬一款LED塑包鋁球泡燈的散熱，通過實際測量溫度為94.90℃與模擬所得溫度96.05℃相近，驗證了所建模型的準確性。在此基礎上，采用正交優化設計方法分析了各個關鍵因素對散熱和質量的影響，綜合兩者考慮得出了最佳參數組合。通過正交試驗優化后，雖然散熱器質量有了小幅度增加，但是LED的溫度由原來的96.05℃降為88.85℃，下降了7.2℃，散熱效果得到明顯改善。因此，本研究結果對將來LED塑包鋁散熱結構的優化設計提供了相應的理論基礎，有一定的借鑒意義。

[1] 鐃連江. 基于ANSYS的LED燈具熱分析[J].照明工

程學報,2010,21(1):53-57.

[2] 莊簡,韓月, 張亞軍,等. LED 路燈塑料散熱器結構優化設計[J].塑料,2012,41(3):83-85.

[3] 金榮福,蔡瓊英,夏玉潔. LED 用導熱塑料[J].工程塑料應用,2011,39(10):100-102.

[4] 黃偉明,文尚勝,陳穎聰. COB塑料基板和玻璃封裝的LED燈具雙通道散熱分析[J]. 光電技術應用,2014,29(4):24-29.

[5] DIALAMEH L, YAGHOUBI M, ABOUALI O. Natural convection from an array of horizontal rectangular thik fins with short length[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(17): 2371-2379.

[6] KIMA DongKwon, JUNG Jaehoon,KIM Sung Jin. Thermal optimization of plate-fin heat sinks with variable fin thickness [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53(25): 5988-5995.

[7] 梁融, 聶宇宏, 聶德云, 等. LED 散熱器散熱特性分析及結構優化[J]. 照明工程學報, 2014, 25(1): 94-97.

[8] 陳杰. LED 筒燈散熱仿真及光源布局優化研究[J].照明工程學報,2013,24(3):81-86.

[9] 姚壽廣,李春濤,鄧江偉. 某型 LED 燈具散熱器的散熱分析[J].江蘇科技大學學報(自然科學版),2014,28(4):370-374.

[10] 王金亮,葉仁廣. 基于煙囪效應的太陽花型散熱器的優化設計[J].機電信息,2014,1(21):103-104.

[11] 余桂英,朱旭平,胡錫兵. 一種高功率LED射燈的散熱設計與實驗研究[J].半導體技術,2010,35(5):443-446.

[12] 陳杰,陳忠,李小紅,等. 照明用大功率LED射燈散熱建模研究[J].半導體技術,2013,38(1):60-64.

[13] 董如何,肖必華,方永水. 正交試驗設計的理論分析方法及應用[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版),2004,12(6):103-106.

[14] ZHENG P, LIU H, WANG J, et al. Optimization of experimental conditions by orthogonal test design in a laser-induced breakdown experiment to analyze aluminum alloys[J]. Analytical Methods, 2014, 6(7): 2163-2169.

Design and Experiment of LED Bulb Plastic-coated Aluminum Radiator

LIAO Xuan, GUO Zhenning, PAN Shifa, YAN Wenping, LI Jianpeng

(CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,FujianKeyLaboratoryofOpticalBeamTransmissionandTransformation,Xiamen361021,China)

In this paper, a LED plastic plated aluminum was thermal simulated by using finite element CFD. The correctness of the model and simulation steps was verified by comparing the actual measured temperature and the temperature simulation. Based on the verified model, the influence of different thickness of the plastic and aluminum and other key factors to heat dissipation and quality was analyzed by the orthogonal optimization design method. Finally, the best parameter combination was obtained through synthetically considering both. The results show that the optimized by orthogonal experiments, although radiator quality had certain increase, but the LED temperature from 96.05 °C to 88.85 °C, dropped by 7.2 °C, the cooling effect is greatly improved.

CFD; plastic plated aluminum; orthogonal experimental design; thermal dissipation

郭震寧，E-mail：znguo@hqu.edu.cn

福建省科技重點項目(2013I0004)、光傳輸與變換福建省重點實驗室開放基金(2014201)

TN312

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.015