船用大功率LED灯散热性能研究

谢仁富，张彦敏，朱 俊

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

对于大型舰艇特别是潜艇来说，照明系统是整个舰艇至关重要的分系统，其安全性和舒适性对船员的心理和生理具有重大影响。舰艇内部照明具有分布范围广、连续工作时间长、应用环境复杂多样、电压波动范围大、电磁兼容要求高、外观形式多样，安装方式受到应用环境的制约等［1］特点。因此，对于舰艇有着多方面的效应。

当前的荧光灯等普通照明方式在长期的实际使用中逐步暴露出诸多的不足，如寿命相对较短、可靠性差;电源波动引起的灯管及电路故障点多;维护工作量巨大;存在着一定的汞污染危险;电磁兼容性、抗震性较差，不可进行控制等。采用新型照明技术，延长照明灯具的寿命，降低维护性要求，开发基于LED的舰艇用照明灯具，为舰艇研制一种高可靠性和免维护的照明系统具有重要的意义。

与传统照明光源相比，LED具有寿命长、节能、环保、抗冲击性好、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体、发光效率高且易控制等显著优点［2］。由于目前LED的发光效率仅能达到10% ～20%，其余80% ～90%的能量转化为热能，同时随着LED功率的提高，热流密度相应增加［3］。如果芯片产生的热量未能及时散出，将导致PN结温度升高，进而降低芯片的发光效率［4］，并大幅缩短 LED 寿命［5］。近年，随着功率型LED的发展，芯片热流密度越来越大，散热已成为LED大规模应用亟需解决的关键问题之一。本文采用数值传热学分析方法建立了典型船用LED灯散热结构，并通过仿真分析验证了所采用的散热方法和设计的散热器满足LED灯的散热要求。

1 典型船用LED灯具结构及传热分析

需要进行热传导分析的某船用LED灯具有2类(4种)，分别为由单粒LED组合和由灯带组合。由单粒LED组合的灯具有14粒和18粒2种，由LED灯带组合的灯具有20 W和30 W 2种。以20 W灯带LED灯具为例，其结构如图1所示。

图1 20 W LED灯具结构模型图Fig.1 Lamp structure model for 20 W LED

该型船用大功率LED灯具的外形尺寸为320 mm×200 mm×75.5 mm(长×宽×深)，壳体材料为铝合金，视窗材料采用高透光性均光板，整体重量小于2.7 kg，最大配合额定功率为20 W，在船上的安装形式为顶部悬吊安装(通过转接板等方式)。

热量传递有3 种基本方式［6－8］:热传导(导热)、热对流、热辐射。船用大功率LED灯具由于其特殊的使用环境，其外壳防护等级一般都在IP65以上，热量不能通过空气对流的方式发散到灯具外部。所以利用良好的导热途径将LED的热量传到灯具外壳，选择合适的导热材料等灯具散热方面的设计直接决定了产品的性能。

目前，针对大功率LED的散热问题，国内外的设计者和制造者分别在结构、材料以及制造工艺等方面对LED的散热系统进行了优化。例如，在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等;在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂;外部热沉即外部散热器采用各种合金肋片结构或翅片组内设热管结构等。

大功率LED灯热设计的目的是为了防止LED芯片出现过热或温度交变引起的热失效，可分为LED芯片内部的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及大功率LED灯实际使用中的散热器设计。管壳的热设计主要考虑降低芯片的外热阻，对于大功率LED照明灯，应有足够大的散热能力［9－10］。本文主要研究的是自然空气对流情况下大功率LED灯散热性能研究及热设计。

2 计算条件

LED灯具在开启后逐渐升温最后达到热稳定状态。也就是说热稳定状态时各点的温度最高，所以散热计算一般只考虑稳态情况，瞬态的热分布情况并不重要。因此，应在灯具处于热稳定状态时计算灯具散热的情况。

根据已知尺寸和参数指标，使用ANSYS公司的ICEPAK软件分别建立14粒、18粒、20 W、30 W 的LED灯具热传导模型。以14粒LED灯具为例，其热传导模型如图2所示。

图2 14粒LED灯具热传导模型Fig.2 14 LED lamp heat conduction model

一般来说，LED灯具温度控制在100℃以下，工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质，设某一时刻τ，物体内所有各点在直角坐标系中的温度场为t=f(x，y，z，τ)，导热的微分方程可表达如下:

式中:ρ为密度，kg/m3;c为比热容，J/(kg·K);λ为热导率(导热系数)，W/(m·K);Φ为内热源强度，W/m3。

对于连续介质，二维对流换热的能量微分方程如下:

式中:cp为热容，对于固体和不可压缩流体，cp=c;u，v分别为 x，y 方向的速度［11］。

上述热交换的矩阵形式如下:

式中:［C(T)］为比热矩阵;［K(T)］为传导矩阵，包含导热系数和对流系数;{T}为节点温度向量;{T'}为温度对时间的导数;［Q(T)］为节点热流向量。

设定 x，y和 z方向的速度流动的收敛值为0.001，能量收敛值为10－7，开始求解。

3 气流及温度分布图

LED灯具热量的流动过程为:先经过焊接层将热量传给固定LED的铝基板，然后铝基板导热胶将热量传给各个散热片，再通过各个散热片传给灯具外壳，最后靠散热片和灯具外壳与空气间的对流将热量散出。

图3是20 W不带散热孔的LED灯带灯具环境温度t为35℃、空气流速V为0.001 m/s时的温度分布云图。

图3 20 W的LED气流及温度分布图Fig.3 Air flow and temperature distribution of 20 W LED

4 仿真结果

设定不同的边界条件，使用ICEPAK计算不同边界条件组合时的LED芯片和灯带处的温度，分别如下所述。

4.1 4种灯具的T-P关系图

固定环境温度和空气对流速度，仿真计算LED芯片或灯带处温度随芯片功率的变化规律，T表示芯片温度，P表示LED电功率。

计算中，设置环境温度为35℃，空气流速为0.001 m/s时，4类灯具分别按带散热孔与不带散热孔2种情况考虑。20 W的LED最高温度值与单个芯片功率之间的关系如图4所示。

图4 20 W的LED灯具的T-P图Fig.4 T-P diagram of 20 W LED

分析仿真结果可知:

1)随着芯片功率增大，LED最高温度值也变大。LED最高温度与芯片功率间近似呈线性关系，但不同种类灯具温升斜率不同。

2)单粒型LED灯具侧面开散热孔的散热效果显著，而灯带型灯具散热孔具有有限的散热作用;在芯片功率为1.7 W时，14粒灯具温升接近20℃，而18粒灯具温升接近25℃;在灯带功率为5 W时，20 W灯具温升接近15℃，30 W灯带灯具温升在13℃左右。

3)在相同条件下，灯带型灯具的温升显然比单粒型灯具的温升要小得多。

4.2 4种灯具的T-t关系图

固定取空气流速为0.001 m/s，每种芯片都为最大功率(14粒、18粒的功率P为1.7 W;20 W和30 W灯带的功率P为5 W)时，4类灯具分别按带散热孔与不带散热孔2种情况考虑。20 W灯带最高温度值T与环境温度t之间的关系如图5所示。

图5 20 W的LED灯具的T-t图Fig.5 T-t diagram of 20 W LED

从图5中可以看出，随着环境温度的不断提高，LED最高温度值也在不断增大，LED最高温度值与环境温度值之间几乎成线性关系。从仿真结果看，不论哪一种灯具，基本上符合这样的规律:环境温度每升高1℃，则芯片处的温度也升高1℃。

在相同空气流速(0.001 m/s)、最大功率的情况下，带散热孔的灯具比不带散热孔的灯具的最高温度值要低，在14粒、18粒LED灯具上最高温升差值明显(14粒LED灯差值在19.5℃左右，18粒LED灯差值在26.5℃左右)，20 W和30 W 的LED灯具带与不带散热孔最高温度值差值不是很明显(20 W差值在5.3℃ 左右，30 W差值在3.1℃左右)。

4.3 4种灯具的T-V关系图

固定环境温度为35℃，每种芯片都取最大功率(14粒、18粒的功率P为1.7 W;20 W和30 W灯带功率P为5 W)时，4种灯具LED最高温度值T与空气流速V之间的关系，以20 W条型灯为例，如图6所示。

图6 20 W的LED灯具的T-V图Fig.6 T-V diagram of 20 W LED

从图6中可以看出，随着空气流速在0.001～0.25 m/s之间不断增大，LED最高温度值变化很小，接近水平直线，即空气流速对芯片的温度几乎没有影响。

4.4 小结

在仿真计算中，分别考虑了结构上散热孔、芯片功率、环境温度和空气流速对芯片处温度的影响。从计算结果看，芯片温度受到散热孔、芯片功率和环境温度的影响，其中芯片功率对芯片温度影响较大，结构上开散热孔对单粒型灯具的LED温度影响较大;环境温度对芯片温升的影响为线性规律，环境温度变化1℃，温升同样变化1℃。空气流速对芯片处温度几乎没有影响。

综上所述，4种LED灯具在同种条件下，芯片功率越高，LED的最高温度值就越大，LED最高温度值与环境温度值之间呈线性关系，当空气流速V在0.001～0.25 m/s之间时，LED的最高温度值几乎没有变化。14粒、18粒LED灯具在有散热孔比没散热孔的LED最高温度值差别很大，而20 W和30 W灯带灯具在有无散热孔时的最高温度值差别不是很大。

5 结语

LED灯具散热设计的重点在于:最短的热路径;必须以最快速的方法将热量导出然后散出。通过灯具散热的分析和计算，可以指导设计散热方式和散热器的选择，保证了船用大功率LED灯具工作在安全的温度范围内，减少了质量问题，提高了可靠性。

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