船舶機艙LED燈散熱性能與環境因素關系仿真研究

劉濤 羅聿斌 董寧 應慧娟

摘 要：大功率LED體積小，芯片溫度短時間內急劇升高，使得大功率LED散熱一直是半導體照明的研究重點。船舶在水面航行，長期處于高溫、高濕及各種不同的擺動環境中。因此，船用照明設備在可靠性及可維護性方面要求更高。文章針對LED芯片發熱嚴重的問題，選用一款額定功率15W的LED燈為參考模型，運用三維建模軟件UG建立LED燈具模型，借助CFD工程軟件FLOEFD.NX8.5進行求解，將仿真結果與實驗測試數據對比，驗證軟件使用的可靠性。最后，采用FLOEFD.NX8.5軟件分析船舶機艙不同溫度、濕度及通風風速對LED燈具芯片結溫性能帶來的影響，為船舶LED照明燈的設計提供參考。

關鍵詞：LED燈;高溫;散熱;仿真

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）09-0004-04

目前，船用LED照明燈具主要有船頂燈、蓬頂燈、角燈和投光燈等[1]。其中，當前單LED芯片的功率已經達到或超過5W，大概只有20%～30%的輸入電能轉化為光能，剩余70%～80%的能量以點陣振動的形式轉化為熱能，散發到外界環境中而浪費掉。若不加散熱措施，則LED的結點溫度會急速上升，當超過最大允許溫度時，LED芯片會因過熱而損壞[2]。于是，大功率LED光源的散熱難題，成為制約產品產業化的瓶頸技術之一[3]。

船舶長期在高溫度、高濕度的環境中運行，散熱問題的研究有別于陸地環境，文章將針對船舶機艙環境，選取一款功率為15W的LED照明燈，通過CFD軟件仿真實驗，分析環境因素對LED芯片結溫能造成的影響。

1 熱傳導控制方程

根據熱量傳遞過程的物理本質不同，熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流、輻射[4]。熱量通過不同方式進行熱交換傳遞，在很多實際熱量傳遞過程中，三種傳熱方式通常同時出現。

在某一時刻，物體內所有各點在空間直角坐標系的溫度場表示為，導熱微分方程式如下：

（1）

式中：為物體密度，;為物體比熱容，;為時間，;為物體導熱系數，;為內熱源強度，;為物體溫度，;、、為坐標系的坐標值，。微分方程的等效積分形式如下：

（2）

式中：為體積單元;為散熱器對流系數;;為散熱器表面溫度;為空氣濕度;為熱流邊界;為對流換熱面積。

對式（1），（2）有限元離散，得出穩態場求解溫度的基本方程：

（3）

其中，為傳導矩陣;為節點溫度矩陣;為節點熱流矩陣[5]。

根據導熱方程式、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結果[6]。

2 LED燈具結構傳熱模型

熱阻分為導熱熱阻和接觸熱阻，當未接觸的空隙中充滿空氣或其他氣體時，由于氣體的熱導率遠小于固體，兩個固體間的導熱就產生了接觸熱阻。公式定義為溫差與熱流量之比，見式（4）。

（4）

就燈具接觸熱阻來說，通常包括：芯片熱阻、基板熱阻和冷卻熱阻。其中，隨著芯片材料的發展，芯片熱阻已降到6～12c/w，其在整個系統中占比不大;基板熱阻與底座和基板的熱接觸面以及基板的導熱能力有關，并隨著基板技術的發展，這部分熱阻已經小于散熱器熱阻[7];最后，由基板到散熱器這部分存在的熱阻稱為冷卻熱阻。燈具整體熱阻網格模型如圖1所示。

其中，LED燈具總熱阻可以表示為：

（5）

圖2為AL5052熱傳導系數隨溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，材料的導熱系數隨材料溫度變化，導熱系數也逐漸升高，但它們之間并不呈現線性關系，主要是受到變動熱阻的影響。但當材料的溫度達到273k以上時，導熱系數曲線逐漸平穩，可以認為熱阻為定值?？紤]到點亮LED燈具后材料溫度通常高于273k，因此CFD仿真計算中熱阻可以根據材料類別考慮設為穩態值。

3 模型分析

3.1 實驗測量

此款LED燈具吊裝在機艙頂部，其由81顆LED串聯組成，額定功率為15W，電光轉換效率為15%。燈具點亮后，LED芯片產生的熱量通過熱傳導的形式把熱量傳遞給鋁基板，鋁基板通過導熱硅膠與散熱器相連，熱量通過散熱器傳遞到空氣中，達到散熱的效果。同時，為了起到防腐和美觀的作用，在燈具散熱器外表面進行了噴粉，噴粉的輻射系數為0.6，LED燈具實物圖如圖3所示。

在恒溫為25℃的密閉實驗室中點亮燈具2h，用Fluke紅外熱成像儀對準LED燈具散熱器外表面進行溫度測量。其中，測量過程中需要注意以下幾點：保證儀器測量過程中熱成像儀平穩、選擇正確的測量溫度范圍、測量目標背景單一、焦距調整合理。實驗測量結果如圖4、圖5所示。

3.2 實驗仿真

燈具點亮后，溫度會隨時間變化而升高，直至達到熱穩定狀態，散熱器溫度會保持在最高溫度值，全文采用穩態分析進行計算求解。在不同環境邊界條件下，使用FLOEFD.NX8.5軟件對該燈具模型進行材料參數設置、網格劃分、加載熱源、模型求解、溫度場分析。LED燈具模型如圖6所示，燈具材料參數如表1所示，溫度場分布云圖如圖7所示。

3.3 結果對比分析

對比實驗和軟件仿真模擬的溫度數據結果，不難看出，在實驗測試中散熱器最高溫度為39℃，最低溫度為36.5℃，而仿真計算中散熱器溫度最高為37.49℃，最低為33.73℃?？紤]到實驗仿真的模型進行了簡單的結構優化，且模型采用較為理想的狀態，面與面之間采用完全接觸，減小了熱阻，導致仿真計算的結果略低于實驗測試結果2℃左右。因此，可以認為通過軟件模擬計算可靠性高，能滿足基本仿真計算要求。同時，也從另一方面說明，在軟件計算過程中LED燈具參數設置的正確性，為下一節模擬計算奠定了基礎。

4 環境因素分析

船舶機艙內的溫度，夏季可達到50℃[8]，且長時間處于相當高的范圍，過高的機艙溫度會導致LED燈具與空氣的對流減弱，對LED燈具的散熱性能造成直接影響，進而影響燈具芯片結溫。高濕度的機艙環境長期伴隨LED燈具的照明，同時機艙處于船體底部，需要為設備及工作人員提供良好的通風環境。因此，也有必要針對濕度及通風風速對LED芯片最高溫度的影響進行分析研究。

因此，本小節就采用FLOEFD.NX8.5進行求解計算，對LED照明燈的外部環境邊界條件進行設置，計算分析不同邊界組合時，環境因素對燈具芯片結溫帶來的影響。

4.1 環境溫度對LED燈具散熱效果的影響

設定機艙相對濕度為60%、氣流流速0.2m/s，計算環境溫度在30℃～50℃區間內的LED芯片溫度變化情況。環境溫度與LED芯片溫度關系如圖8所示。

從圖8可以看出，當濕度及氣流流速一定時，機艙環境溫度為30℃時，LED芯片產生的最高溫度為40.75℃;當環境溫度為50℃時，芯片的最高溫度為52.8℃。伴隨機艙環境溫度的升高，芯片的結溫逐漸增大，且芯片結溫的增幅隨著環境溫度升高呈現降低趨勢。即環境溫度越高，芯片結溫增幅越小，二者成負相關的關系。

4.2 濕度對LED燈具散熱效果的影響

設定環境溫度為30℃～40℃，氣流流速0.2m/s，模擬計算濕度范圍在40%～80%時濕度值的變化與LED芯片最高溫度的關系，如圖9所示。

由圖9可以看出，當環境溫度為30℃時，濕度的變化對燈具芯片結溫沒有影響，LED芯片結溫一直保持在40.75℃。同樣，環境溫度分別在35℃和40℃時，隨著濕度的改變，結溫分別保持在44.97℃和47.42℃，說明燈具芯片結溫受周圍環境濕度的影響微乎其微。

4.3 氣流速度對LED燈具散熱效果的影響

設定機艙環境溫度為30℃～40℃，濕度為60%，氣流速度范圍為0.1m/s～0.4m/s，氣流速度變化與LED芯片結溫關系如圖10所示。

由圖10可以看出，不同環境溫度情況下芯片結溫均有所下降，且是環境溫度與降幅成負相關的關系，即環境溫度越高，芯片結溫降幅越小。進一步說明氣流流速加快時，燈具散熱器與外界流體對流換熱效果明顯，燈具采取主動風冷散熱有利于降低芯片結溫，進而減小LED光衰，延長燈具的使用壽命。

5 結語

利用CFD仿真分析軟件對LED燈具進行熱分析，可以在產品設計前期就準確計算出燈具的溫度參數值，減少燈具設計時間和成本花費。船用LED燈具相關影響因素的分析，對改善燈具結構和散熱方式，提高船用LED照明燈具的安全性和可靠性具有指導性作用

參考文獻

[1] 謝家純.LED照明在未來船舶上的應用展望[J].上海造船，2011（04）：43-45.

[2] 高紅星.大功率LED燈的散熱分析及結構設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[3] 李海波.大功率LED燈具的散熱結構設計與仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.

[4] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].第三版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 陳唐榮.大功率LED燈具結構散熱性能研究[D].廈門：華僑大學，2012.

[6] 王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題[J].電子設計工程，2009，17（04）：18-20.

[7] 徐興浪.大功率LED燈具主動散熱裝置研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[8] 林春熙.船舶機艙環境下PLC故障和應關注的幾個問題[J].航海技術，1997（04）：58-60.