利用隧道通風氣流提升LED照明模塊散熱的設計

張仕輝

(廣州廣日電氣設備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

LED熱量通過傳導、對流、輻射等形式散發到周邊空氣中。早期散熱器，由于一味追求擴大散熱面積，不斷地加密或加長散熱片，此種方式的結果是散熱器面積增大了，散熱片間隙卻變小了、長度變長了，空氣在狹長的流道內并不能有效流動，散熱器散熱性能非但沒改善，溫度還可能不降反升。經過不斷更新迭代，目前LED照明產品散熱器多采用符合T/CSA 016—2022標準的梳形散熱器，散熱片間隙、長度均得到了比較合理的控制，在預定空氣流道上能較好發揮對流散熱效果。

由于空氣自然流動、周邊活動物體的擾動或外力作用等因素，現實環境中空氣難免存在流動。散熱器周圍的氣流對散熱效果或多或少會產生影響。這些影響可能有助于提升散熱能力，也可能會抑制現有散熱能力。如果能借助環境氣流的作用，加速散熱器對流換熱效率，從而提升散熱器散熱能力，這將對控制散熱成本、降低芯片結溫、提高LED光輸出及降低光衰等起到有效的促進作用。

1 對流散熱分析

對流換熱的基本公式Q=hA(Tw-Tf)，式中h為對流換熱系數[W/(m2·k)]；A為對流散熱面積(m2)；Tw為物體表面溫度(℃)；Tf為流體溫度(℃)[1]。對流現象根據空氣流動起因的不同，可以分為自然對流和強迫對流。自然對流是由于空氣受熱，溫度升高后體積膨脹，密度變小，從而引起的緩慢流動。強迫對流是由于流體受外力如風扇、外部氣流作用而產生的流動[2]。

LED散熱因對體積空間限制小，熱流密度較小，采用自然對流散熱具有成本相對較低、可靠性更高等優點，故目前LED散熱多采用“梳形”散熱器如圖1所示，通過散熱片自然對流散熱。一般自然對流換熱系數h為3～12 W/(m2·K)[1，2]。影響自然對流的因素主要有散熱片的高度H，散熱片長度L，散熱片的間距W。散熱片高度H越高，長度L越長，散熱片間距W越小，此時流經散熱片的氣流受邊界層阻力影響越大，自然對流換熱系數h取小值，反之取大值。強迫對流的影響因素同自然對流，最大的不同在于空氣的流動，因外力的介入，加速了流經散熱片空氣的流動，隨著氣流速度的增大，散熱片熱交換效率也隨著提升。

圖1 “梳形”散熱器Fig.1 “Comb” Radiator

不論是自然對流還是強迫對流，合理的流道設計能有效減小空氣流動阻力，加速空氣流動，提高散熱器與空氣熱交換效率，從而快速降低散熱器的溫度。

圖2為光學面長度為236 mm規格的CSA 016標準散熱器截面，該散熱器寬度為70 mm，散熱面積為0.14 m2，材質為AL 6063，表面氧化處理，散熱器重485 g。

圖2 CSA 016標準散熱器Fig.2 CSA 016 Standard Radiator

此散熱器匹配LED模塊功率為55 W，按LED光電轉換效率40%計算，55 W LED模塊熱損耗約為33 W；將LED模塊放置在防風罩內，驅動模塊功率至55 W，分別對應表1兩種狀態擺放，通過熱電偶測試LED散熱焊盤溫度，待溫度穩定后記錄測試結果見表1。

表1 CSA 016標準模塊散熱實測數據

由表1可知，兩種狀態只因自然對流流向與散熱片長度方向不同(平行或垂直正交)，LED散熱焊盤溫度相差竟達21 ℃以上。可見，對流在LED散熱中發揮著重要的作用。對流流向與散熱片長度方向平行時，對流散熱效果更好。

2 散熱方案設計

2.1 燈珠參數

LUXEON 5050是LUMILEDS旗下推出的大功率高光效LED方案，燈珠外觀如圖3所示。該燈珠具有光電轉換效率高、熱阻小等優點。燈珠標稱電壓Vf為24 V燈珠，最大驅動電流I為240 mA，燈珠熱阻Rjc為1.9 ℃/W。圖4為燈珠規格書給出的光輸出與結溫關系曲線，圖5為根據TM-21推算燈珠在不同結溫下70%光衰壽命曲線。從圖4、圖5可以看出LED散熱的重要性：當燈珠結溫越低，其光輸出越高、光衰減越慢。

圖3 LUXEON 5050 燈珠Fig.3 LUXEON 5050

圖4 光輸出與結溫關系曲線Fig.4 Curve of relationship between light output and junction temperature

圖5 LED光衰曲線Fig.5 LED light decay curve

2.2 散熱器材料及加工工藝

鋁因其導熱率高，成本相對較低，被廣泛用作散熱材料。AL 1060導熱率為234 W/(m·K)[3]，其抗拉強度σb為110～136 MPa。AL 1060制成的散熱器雖傳導性能高，但其材質較軟，鎖螺絲易滑牙，機械強度較差。而AL 6063材料導熱系數為201 W/(m·K)，抗拉強度σb≥205 MPa。AL 6063雖導熱率略低于AL 1060，但其導熱系數在常用鋁材中相對較高，且具有較高的機械強度，是比較理想的散熱器制備材料。而鋁型材擠出工藝，截面設計較自由，可根據需求實現變截面設計。綜合熱傳導、機械強度、工藝設計等因素，散熱器采用AL 6063擠出加工是比較合適的。陽極氧化處理使散熱器氧化后表面形成堅硬的氧化膜，保護基體不易被侵蝕的同時提升其表面熱輻射系數，可提升輻射散熱效果，故擠出成型后會對散熱器表面進行陽極氧化處理。

2.3 散熱器結構設計

因考慮互換性，通用圖2所示的CSA 016標準模塊光學器件，散熱器光學安裝面尺寸同CSA 016標準散熱器，長236 mm、寬70 mm、散熱器高度小于40 mm、LED模塊功率為55 W。LED模塊設計壽命為：70%光衰壽命達10萬小時。按目前LUXEON 5050 LED光電轉換效率約40%計算：LED模塊選用30顆電壓等級為24 V的LUXEON 5050燈珠，單顆燈珠驅動電流約76 mA，LED模塊熱損耗約33 W；查看圖5中LED光衰曲線可知，LED 70%光衰壽命達10萬小時，其LED目標結溫Tj要小于85 ℃。

散熱器外形綜合考量對流散熱及應用，截面設計呈“D形”，截面厚度從基板到散熱片末端逐漸減薄。采用變截面設計的最大好處在于節約材料。散熱片設計分布于兩側及背部，中間形成較寬闊的空氣流道；“D形”內部寬闊的流道設計，有利于減少流道內空氣流動阻力，利用散熱片內外表面，充分發揮其對流散熱能力。散熱器背部設兩道“倒T”形槽，方便散熱模塊后續快速安裝使用。設計的“D形”散熱器外形如圖6所示，散熱面積為0.079 m2；散熱器采用鋁擠工藝，材質為AL 6063，散熱器重約209 g。

圖6 “D形” 散熱器Fig.6 “D” Radiator

根據熱傳導理論，材料傳遞熱量Q=ΔTAλ/δ。熱量在傳遞路徑上遇到的阻力稱為熱阻，熱阻R=δ/(λA)。式中，λ為材料的熱導率[W/(m·K)]；δ為材料的厚度(m)；A為熱傳遞方向的截面積(m2)；ΔT為材料兩端溫度差(℃)[4]。AL 6063材料導熱率為201 W/(m·K)。如圖6所示，材料的厚度δ為傳導路徑長度=0.03+0.048/2=0.054 m；熱傳遞方向的截面積A為兩側散熱筋橫截面積=0.236(長)×0.0015(散熱片平均厚度)×2=0.000708 m2。故散熱器熱阻為：R=δ/(λA)=0.38 ℃/W。

根據Q=ΔTAλ/δ，得出ΔT=Qδ/(λA)=33×0.38=12.54 ℃。忽略LED與散熱器中間的熱阻，散熱器最大溫度MaxTw=Tj(LED結溫)-Rjc(LED熱阻)×P(功率)=85-1.9×(55/30)≈81.5 ℃，散熱器末端溫度MinTw=81.5-12.54≈69 ℃，故散熱器平均溫度Tw=(81.5+69)/2=75.25 ℃，較環境溫度25 ℃升高約50 ℃。

基于對流換熱的基本公式Q=hA(Tw-Tf)，空氣自然對流換熱系數取典型值10 W/(m2·K)[2]，估算55 W LED模塊所需散熱面積A=Q/h(Tw-Tf)=33/10/50=0.066 m2≤“D形”散熱器散熱面積0.079 m2。故“D形”散熱器散熱面積初步評估能夠滿足散熱需求。

通過Proe建模后運用FloEFD熱模擬軟件對“D形” 散熱器進行模擬優化。背部散熱片因遠離熱源，其在散熱過程中發揮熱交換效率相對較低。在散熱器背部開條形通風孔及過線孔，雖減少了散熱面積，但通風孔縮短了空氣流道長度，有助于散熱器內部熱空氣的流出及冷空氣流入，同時有助于提高其內部空氣流動換熱效率。優化后“D形”散熱器結構如圖7所示。

圖7 優化后“D形”散熱器Fig.7 Optimized “D”Radiator

優化后“D形”散熱器模型運用FloEFD熱模擬軟件模擬數據見表2。

表2 優化后“D形” 散熱器熱模擬數據

由表2可知，優化后“D形”散熱器的散熱能力滿足設計目標。得益于優化后“D形”散熱流道空氣流動阻力小，隨著流道內部空氣的流出，新的空氣通過背部通風孔快速流入，流量加大同時加速了對流換熱。優化后散熱器散熱片與對流同向或垂直正交兩種狀態LED散熱焊盤溫度僅相差4 ℃，散熱器整體對流效果優于“梳形”散熱器，進一步驗證了對流對散熱的重要性。

3 隧道通風對散熱的促進作用

在現實的使用環境中，避免不了存在空氣的流動。特別是安裝在隧道內部的LED隧道燈具必定受到氣流影響。依據《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)，隧道內交通量大，如果空氣流通不暢，汽車排放的尾氣將會造成隧道內空氣污染，一氧化碳(CO)和二氧化氮(NO2)濃度升高，嚴重會直接影響人員健康，降低空氣透過率，影響行車安全。為保證隧道內通風換氣，目前主要以各種縱向通風方式及其各種組合，一般多采用全射流縱向通風方式[5]。單向交通隧道通風方式特點如圖8所示。

圖8 單向交通隧道通風方式特點Fig.8 Characteristics of ventilation mode of one-way traffic tunnel

由圖8可見，采用全射流縱向通風方式隧道內部風速可簡化為勻速運動[6]。《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)對通風換氣風速也做了相關要求：采用縱向通風的隧道，隧道換氣風速不應低于1.5 m/s。對于特長的隧道，隧道換氣風速不應低于2.5 m/s。雙向交通隧道最大風速不大于8 m/s，單向交通隧道最大風速不大于10 m/s[5]。

隧道通風氣流無疑對隧道內LED燈具散熱提供了強迫對流的作用，當適配了圖7“D形”散熱器的LED模塊橫向安裝于隧道內時，其散熱流道方向剛好與隧道縱向通風氣流方向平行，在隧道通風氣流作用下，快速流動的氣流將有助于散熱器更好地發揮對流散熱效果。通過Proe建模，運用FloEFD軟件對不同氣流作用下圖7“D形”散熱器散熱效果進行模擬對比。

模擬條件如下：

1)初始條件：壓力101 325 Pa，溫度25 ℃；

2)5050LED：材質銅，數量30 pcs；

3)LED功率：55 W；

4)LED發熱損耗：33 W；

5)鋁基板：材質AL 5052；

6)散熱器：材質AL 6063，輻射系數：0.6(氧化鋁表面輻射系數)；

7)散熱片長度(散熱流道)方向與氣流平行，重力方向朝下，散熱器擺放狀態如圖9所示。

圖9 “D形”散熱器擺放狀態Fig.9 “D” radiator placement status

8)外部對流狀態下，空氣流速分別取0 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s。

忽略各接觸熱阻，模擬得出LED散熱焊盤溫度如圖10所示。

圖10 LED模塊在不同風速作用下的散熱效果Fig.10 Heat dissipation effect of LED module under different wind speeds

由圖10可知，隨著氣流速度增大，LED散熱焊盤溫度隨之下降，當流速大于0.5 m/s后，溫度下降速度更加明顯。按隧道通風最低風速1.5 m/s計算，LED散熱焊盤溫度較自然對流狀態下降了約15 ℃，氣流使散熱器散熱效果得到有效提升。

4 散熱效果對比

將適配圖2、圖7散熱器的LED模塊3D模型分別放置到同一隧道縱向風道模型中，在同等條件下針對隧道可能產生的風速進行散熱模擬，對比兩種不同散熱流道的散熱器在隧道應用中的散熱效果。以某隧道照明工程為例，選取長度30 m隧道基本段做模擬對比，隧道截面如圖11、隧道內燈具布置平面如圖12所示。

圖11 隧道截面簡圖Fig.11 Section sketch of tunnel

圖12 隧道內燈具布置平面圖Fig.12 Layout plan of lamps in tunnel

由于隧道建模空間較大，如果網格劃分較細，網格數量將成倍增加，計算數據龐大；如果網格劃分較稀疏，又影響模擬計算結果精度。故將整個隧道空間先劃分大基礎網格，再針對空間內LED模塊及LED模塊周邊流體區域做網格細化，以此來簡化計算量同時確保計算精度。通過FloEFD模擬對比相同條件下兩種LED模塊LED散熱焊盤溫度。

模擬條件如下：

1)初始條件：壓力101 325 Pa，溫度25 ℃；

2)5050LED：材質銅，數量30 pcs；

3)每盞LED功率：55 W；

4)每盞LED發熱損耗：33 W；

5)鋁基板：材質AL 5052；

6)散熱器：材質AL 6063，輻射系數：0.6(氧化鋁表面輻射系數)；

7)LED模塊安裝于隧道側壁上，距離地面高度5 m，燈具間隔9 m；隧道內LED模塊安裝狀態分別如圖13所示。

圖13 隧道內LED模塊安裝狀態Fig.13 Installation status of LED modules in the tunnel

8)邊界條件：

入口壓力101 325 Pa；隧道縱向空氣流速分別取0 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s。

忽略各接觸熱阻，模擬得出各LED模塊LED散熱焊盤溫度如圖14所示。

圖14 隧道內不同縱向風速下散熱器散熱效果對比Fig.14 Comparison of radiator heat dissipation effects under different wind speeds in tunnel

由圖14可知，“D形”散熱器由于流道設計與氣流方向平行，流道有利于空氣流動發揮熱交換效率，其LED散熱焊盤溫度隨空氣流速增加不斷下降，特別在氣流速度低于1.5 m/s時，隨著空氣流速加快散熱效果提升明顯。在氣流速度達1.5 m/s時，LED散熱焊盤溫度較自然對流下降了11.48 ℃，溫度遠低于自然對流時的溫度。而CSA 016標準“梳形”散熱器由于散熱片與氣流方向垂直，阻礙了空氣流動，空氣換熱效率低下；在流速低于2.5 m/s時，LED散熱焊盤溫度不降反升；當空氣流速大于2.5 m/s時，LED散熱焊盤溫度較初始階段緩慢下降，此時兩種散熱器LED散熱焊盤溫度趨于一致。

通過對比看出，“D形”散熱器設計基于流道優化，借助隧道空氣流動，誘導氣流往有利于散熱器散熱的方向流動，變被動對流散熱為主動對流散熱甚至強迫對流散熱，充分提高熱交換效率，使散熱性能得到較大的提升。在隧道通風氣流作用下，當風速達到1.5 m/s及以上時，“D形”散熱器只用了不到CSA 016標準梳形散熱器一半的材料成本就達到與CSA 016標準梳形散熱器基本相同的散熱效果。

5 總結

LED散熱的主要路徑為傳導、對流、輻射。對流在散熱過程中發揮著重要作用。一款散熱器散熱流道設置是否合理，是否有利于空氣流動將直接影響其散熱性能的好壞。好的散熱設計，散熱流道有利于空氣對流，有利于提高對流換熱系數，充分發揮表面熱交換能力。自然對流下，流道設置應與空氣受熱膨脹后流動方向一致；強迫對流下，流道設置應與強迫氣流方向一致。當強迫對流流速較低時，需特別注意強迫對流流向與自然對流流向，當兩者方向相同時，二者作用疊加有助于加速對流；當兩者方向相反或相互阻礙時，二者作用疊加會造成流動受阻，甚至困氣，反而影響散熱[7]。這就是圖14中CSA 016標準散熱器在風速從0 m/s到2 m/s時溫度不降反升的原因。

在公路隧道內部，由于通風系統的作用，隧道內風速不低于1.5 m/s，對隧道LED燈具來說無異于建立了強迫對流散熱系統。“D形”散熱器將流道設計成與隧道縱向氣流平行，利用隧道通風氣流作用，有效發揮空氣流動換熱效率，提升了散熱器散熱能力。不單是隧道燈具，包括路燈等照明產品，只要有效地設計出有利于環境空氣流動的散熱流道，都能利用環境中空氣流動來加速散熱，從而節約材料成本，降低芯片溫度，延長芯片壽命。