LED球泡灯塑包铝散热器的设计与实验

廖　炫，郭震宁，潘诗发，颜稳萍，李建鹏

(华侨大学信息科学与工程学院，福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门　361021)



LED球泡灯塑包铝散热器的设计与实验

廖炫，郭震宁，潘诗发，颜稳萍，李建鹏

(华侨大学信息科学与工程学院，福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门361021)

利用有限元CFD仿真软件对一款LED塑料包裹铝制散热套件(以下简称“塑包铝”)球泡灯进行热仿真。通过对比实际测量温度及仿真温度验证所建模型及模拟步骤的正确性，并在此基础上，采用正交优化设计方法分析了塑料厚度、铝厚度等各个关键因素对散热和质量的影响，综合两者考虑得出了最佳参数组合。结果表明：通过正交试验优化后，虽然散热器质量有了一定增加，但是LED的基板温度由原来的96.05℃降为88.85℃，下降了7.2℃，散热效果得到明显改善。

CFD； 塑包铝； 正交优化； 散热

引言

第四代光源LED由于其自身节能、环保、寿命长等优势，正逐步取代传统光源而被广泛运用于各种灯具之中。但受目前的生产技术限制，大功率LED产品仅有约20%左右的输入功率转换为光能，剩下的80%左右均转换为热能[1]。若这些热量不能及时散出去，会使LED寿命缩短，色漂加剧，产生严重光衰等不良影响。因此，良好的散热结构设计是提高LED寿命和稳定性的保证。而目前绝大多数的灯具采用的散热器均为铝制散热器，虽然可以达到散热目的，但是一方面由于铝质量较大且价格不便宜，另一方面采用铝制散热器就必须使用隔离电源驱动，从而增加灯具成本。因此，开发新的散热材料显得十分必要。有不少学者[2-4]采用高导热塑料散热，虽然塑料的热辐射能力强，但是导热能力毕竟有限，因此散热效果不佳。而塑包铝结构散热器包含这两种材料的优点，散热效果明显。同时该结构可以采用隔离电源，可进一步降低灯具成本，因而具有广泛的运用前景。

采用有限元CFD仿真软件进行散热模拟仿真分析，可以全面分析LED灯具的热传导、热对流及热辐射，分析求解LED灯具内外的温度场和流场等，非常适用于目前LED照明灯具散热模拟仿真[5-9]。本文基于有限元原理，使用正交试验设计方法对LED塑包铝球泡灯的散热进行优化，通过流体力学CFD仿真软件进行散热模拟仿真得出最佳尺寸参数组合，使散热效果更佳，延长LED灯寿命。

1　理论与模型建立

1.1理论基础

根据传热学原理，在三维直角坐标系中，含有内热源的LED轨道射灯的温度场满足[10]

(1)

式中，λx，λy，λz分别为x,y,z方向上的热导率；qv为内热源的发热率；T为温度；ρ为密度；cv比热容。

将控制微分方程转化为等效的积分形式

(2)

LED塑包铝球泡灯可通过传导、对流和热辐射三种方式散热。分别根据傅立叶定理、牛顿冷却方程和史蒂芬-玻尔兹曼定律可得以下三式

(3)

(4)

(5)

联立式(1)～式(5)并进行有限元离散可得：

(6)

有限元CFD仿真软件通过求解(6)式，即可得知各个点的温度。

1.2模型建立

以某公司的一款7W LED塑包铝球泡灯为研究对象。运用三维制图SOILDWORKS软件建立模型如图1(a)所示，图1(b)是(a)中散热器部分的剖面视图，其壁面由内而外分别是导热塑料、铝、导热塑料，图中A、B、C、D、E分别表示塑料厚度、铝厚度、散热器高度、铝底板厚度、底边直径。各个参数具体尺寸分别为：1mm、1mm、36mm、1mm、50mm。为了加快热仿真效率，在不影响散热的情况下，对模型一些微小尺寸做适当的简化，即底部基板螺纹孔简化为与之直径相等的圆柱孔，灯头部分简化为圆柱。

图1　LED球泡灯模型及散热器剖面Fig.1　LED bulb model and radiator section

2　模型热仿真与实验验证

2.1模型热仿真

运用文献[12]所述方法进行仿真。灯具各材料的热导率见表1(表中Tc表示热导率)，LED的光电转化效率为20%，即有80%的输入功率转换为热量，塑料的热发射率设为0.9，环境温度设为25℃，同时考虑到电源属于外置电源，故在模拟仿真时不需要考虑其发热量。热仿真温度分布云图如图2所示。由图可知，基板最高温度为96.05℃。

表1　LED塑包铝球泡灯灯具材料和热导率

图2　LED塑包铝球泡灯仿真温度分布云图Fig.2　Temperature distribution figure of LED bulb plastic-coated aluminum simulation

2.2实验测量验证

为了验证上述模型及模拟步骤的准确性，采用YOKOGAWA公司旗下的MV2000，实验平台如图3(a)所示，测试点如图(b)所示。LED塑包铝球泡灯实测最高温度为94.90℃，和仿真所得温度只差1.15℃，误差为1.2%，表明可以采用上述简化模型做进一步研究，与此同时验证了模拟步骤的正确性。

图3　实验测试平台及测试点Fig.3　Experimental test platform and test points

3　正交试验优化设计

3.1正交实验法

正交实验设计是研究多因素决定某种特性的设计方法。该方法具有所需实验次数少，数据均匀分散、齐整可比等优点[13]。

将该方法引入到LED塑包铝散热器设计中，即通过优化塑包铝散热器的尺寸，结构及用料，综合成本和散热效果，从而找到最佳参数组合。此优化具有以下两方面的效果：1)散热效果相同时，可减少散热器的质量； 2)保证散热器质量相等时，可降低LED温度。

3.2优化设计

以上述的A、B、C、D、E为正交表中的关键因子，结合正交表L16(45)[14]可列出表2。以表中的数据建立相应的模型，在CFD中进行热仿真，可以得出在不同实验参数下LED塑包铝球泡灯的最高温度和散热器的质量，分别填入表中T、W两列。

表2　LED塑包铝球泡灯正交实验安排表

注：①塑包铝散热器中ρ铝=2.7g/cm3，ρ塑料=1.4g/cm3；②T为LED的最高温度，W为塑包铝散热器的质量。

通过正交实验极差分析并结合表2数据，整理可得A、B、C、D、E五个参数对温度及散热器质量的影响趋势(如图(4)～图(8)所示)和各个参数的极差表(表3)。

图4　塑料厚度和基板温度及散热器质量关系Fig.4　Relationship between plastic thickness and substrate temperature and radiator quality

图5　铝厚度和基板温度及散热器质量关系Fig.5　Relationship between aluminum thickness and substrate temperature and radiator quality

图6　高度和基板温度及散热器质量关系Fig.6　Relationship between height and substrate temperature and radiator quality

图7　铝底板厚度和基板温度及散热器质量关系Fig.7　Relationship between aluminum plate thickness and substrate temperature and radiator quality

图8　底边直径和基板温度及散热器质量关系Fig.8　Relationship between bottom diameter and substrate temperature and radiator quality

表3　各个参数极差表

综合图4～图8和正交试验的极差定理(极差值见表3)可以发现：不同参数对灯具基板温度和散热器质量两个目标的影响效果不一样。塑料底边直径E对灯具温度的影响最大，散热器高度C影响次之，接下来分别是铝底板厚度D，塑料厚度B，铝厚度A影响最小；而对于散热器质量这个目标而言，铝厚度B影响最大，散热器高度C影响最小，各参数的影响顺序从大到小为B、E、D、A、C。考虑到LED塑包铝球泡灯散热器质量本身较小且其相对整灯质量所占比例也较小，因此将灯具温度作为主要目标，塑包铝散热器质量为次要目标进行优化。根据优化结果综合考虑可知最佳参数组合为A2B1C2D3E4，即塑料厚度A为1mm，铝厚度B为0.7mm，高度C为36mm，铝底板厚度D为2mm，底边直径E为56mm。显然这种参数组合不在原来的正交表内，故以这些参数建立模型并按上述步骤进行仿真，得到优化后的LED塑包铝球泡灯仿真温度分布云图(见图9)和散热器质量见表4，为了便于比较表中列出了优化前的数据。由表4可知，优化后的LED最高温度为88.85℃，比优化前降低了7.2℃。

表4　模型优化前后比较

图9　优化后LED塑包铝球泡灯仿真温度分布云图Fig.9　Temperature distribution figure of optimized LED bulb plastic-coated aluminum simulation

4　结论

本文模拟一款LED塑包铝球泡灯的散热，通过实际测量温度为94.90℃与模拟所得温度96.05℃相近，验证了所建模型的准确性。在此基础上，采用正交优化设计方法分析了各个关键因素对散热和质量的影响，综合两者考虑得出了最佳参数组合。通过正交试验优化后，虽然散热器质量有了小幅度增加，但是LED的温度由原来的96.05℃降为88.85℃，下降了7.2℃，散热效果得到明显改善。因此，本研究结果对将来LED塑包铝散热结构的优化设计提供了相应的理论基础，有一定的借鉴意义。

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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

郭震宁，E-mail：znguo@hqu.edu.cn

福建省科技重点项目(2013I0004)、光传输与变换福建省重点实验室开放基金(2014201)

TN312

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.015