LED球泡灯的烟囱效应散热设计与实验

唐　帆， 郭震宁,*， 林介本， 廖　炫， 潘诗发

(1. 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；2. 福建泉州世光智能照明技术研究院有限公司， 福建 泉州　362302)



LED球泡灯的烟囱效应散热设计与实验

唐帆1， 郭震宁1,2*， 林介本2， 廖炫1， 潘诗发1

(1. 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；2. 福建泉州世光智能照明技术研究院有限公司， 福建 泉州362302)

为了增强LED灯具的散热能力，根据烟囱效应原理，设计了一种LED球泡灯，其具有特殊的直筒式烟囱结构。利用Solidworks建立三维模型，通过其插件Flow Simulation进行热仿真，并以烟囱高度30 mm、烟囱数量6、通风口长度2 mm的参数为基础模型。通过实验验证，测出该模型的最高温度为69 ℃，与仿真所得出的结果仅相差1.66 ℃，证实了仿真步骤的正确性。以此为基础，对不同烟囱高度和数量、通风口大小对LED芯片最高温度的影响进行研究。研究表明：烟囱效应明显增强了灯具的对流散热性能。在烟囱高度为45 mm、烟囱数量为12、通风口长度为3.5 mm时，LED芯片的最高温度为61.04 ℃，比优化前下降了9.62 ℃。在模型参数相同的条件下，最高温度比不加烟囱结构的LED球泡灯下降了1.9 ℃，且散热器重量下降了2.55 g。在自然对流条件下，所设计的LED球泡灯能很好地满足LED芯片工作要求。

直筒式； LED球泡灯； 烟囱效应； 最高温度

1　引　　言

大功率白光LED作为第四代光源，具有能耗低、响应速度快、体积小、寿命长等优点。但现在LED的发光效率只能达到10%～20%，其余的能量则转化成热能。随着LED灯具的功率越来越大，若热量不能及时散出，则会导致LED芯片的结温升高，从而降低发光效率并使其寿命缩短[1]。因此，散热是制约LED发展的一个重要因素[2]。

散热器的设计优劣对提高LED灯具散热能力起着决定性的作用[3]。目前大多数对散热器的研究，都是通过增加散热器与空气接触的表面积或者改善散热器结构来增加对流传热系数，从而提高散热器的散热能力。如王芳等[4]设计了一种添加翅片的泡沫金属散热器，有效地增加了散热器与空气的热交换面积。梁融等[5]提出了一种断开开缝式肋片的结构，可以提高散热器的对流传热系数。但是，添加翅片意味着原材料增加，改善结构也会使加工更困难，这与降低照明成本的理念相悖。研究表明，在LED灯具散热设计中添加烟囱结构，可以在结构中产生烟囱效应[6]，能有效地强化自然对流，提高散热能力。如陈伯仁等[7]结合烟囱效应原理开发出蜂巢式散热鳍片，但是，散热器特殊的蜂巢结构加工困难，不利于大量生产。

本文基于烟囱效应原理，利用Solidworks构建LED球泡灯的三维模型，通过Flow Simulation软件对所构建的模型进行散热模拟仿真。在灯具结构设计中引入了烟囱结构，设计了一种特殊的直筒式烟囱结构的LED球泡灯散热器。这种特殊的直筒式烟囱结构避免了普通烟囱结构空气在灯体内流动产生涡流，从而降低空气流通量的问题[8]，有效提高了LED球泡灯的对流散热性能。该结构具有散热效果好、质量轻、成本低、易于加工的优点。

2　理论与模型建立

2.1理论基础

LED球泡灯的总热阻R为：

(1)

式中，Rjc为LED芯片热阻，Rcs为基板和导热胶热阻，Rsa为散热器热阻。

由于风冷散热器的辐射传热量很低，所以其辐射传热热阻不予考虑，从而，散热器热阻Rsa为：

(2)

式中,Rj为散热器自身导热热阻，Rk为散热器与空气的对流换热热阻。

根据热阻计算公式：

(3)

式中，T为LED芯片最高温度，T∞为环境温度，P为芯片产热功率。联立式(1)～(3)可得：

(4)

LED工作时，芯片最高温度应小于65 ℃,T∞由环境温度决定。根据LED芯片功率，光电转换效率取15%，可求得芯片产热功率P,Rjc和Rcs由于各厂家生产工艺选材不同而存在差异，但可从厂家提供的产品手册查出，为定值。Rj由散热器自身结构和材料决定，当结构和材料确定时，Rj为定值。将上述各值代入公式(4)算出Rk。Rk和对流换热系数及散热器表面积有关：

(5)

式中h为对流换热系数，S为散热器表面积。

要使散热器具有足够的表面积S，则需要增加散热器的重量。散热器重量的增加，意味着成本的提高。根据式(5)，当Rk确定时，S与h成反比。而通过烟囱效应可以有效增强散热器表面的空气流动，从而增大h，减小S，达到降低生产成本的目的。

散热器性能的评价不仅要考虑其热工性能，还要考虑其经济性[9]。热工性能的高低体现在散热量的多少，也就是器件最高温度的大小。经济性则体现在散热器单位重量的散热量，也就是重量的大小。LED球泡灯的热功率P一定时，其散热性能越好，则在保证最高温度相同的条件下，所需的散热器重量越轻。同样，在散热器重量相同时，散热性能越好的LED球泡灯，其最高温度越低。为了衡量所设计LED球泡灯散热性能的优劣，可采用散热性能因数Q[10]：

(6)

式中，ΔT为温差(LED球泡灯最高温度与环境温度之差)，M为散热器重量，P为热功率。

由此可得，对于热功率P为一定值的LED球泡灯，散热性能因数Q与温差和散热器重量成正比。Q值越小，LED球泡灯的散热性能越好。

2.2模型建立

本文设计了一款基于烟囱效应的LED球泡灯，由散热器、LED光源、基板、光学灯罩和灯头组成。其灯头为E27标准灯头。散热器分为两段，其中第一段为烟囱通道，高为Hmm，在第一段上端开有宽为6 mm、长为Lmm的6个呈圆周阵列的长方形通风口；第二段的高度为定值。散热器内壳和外壳之间由筋连接，筋将内壳和外壳之间的空间划分为独立的直筒式烟囱通道。LED球泡灯的结构和各部分尺寸如图1所示。

图1LED球泡灯示意图。(a)灯的结构图；(b)灯的剖视图；(c)散热器俯视图。

Fig.1Schematic diagram of LED Bulb. (a) Structure. (b) Cutaway view. (c) Vertical view.

为了更加迅速地进行热仿真，我们在构建模型时简化了一些对仿真结果影响不大的部分。LED光源设置为底面半径为4 mm，高为2 mm的圆柱体；灯头设置为底面半径为13 mm，高为20 mm，厚度为1.8 mm的圆柱空壳；其高度H、通风口长度L为变量。LED光源工作时产生热量，热量传递到空气中，使周围空气温度升高密度减小，与烟囱通道上面的空气产生密度差，得到向上的浮力，从而上升，并沿着烟囱通道从上面的通风口排出，产生的负压又会使新的冷空气继续流入烟囱通道，形成烟囱效应，从而增大通风通道中的对流换热系数，增强自然对流散热，提高LED球泡灯的散热能力。

本文以烟囱通道30 mm、烟囱数量6、通风口长度2 mm的LED球泡灯模型为基础，进行深入的研究和优化。在此参数下，经软件热仿真得出的LED球泡灯芯片的最高温度为70.66 ℃，散热器重量为72.43 g，散热性能因数Q=704.94 g·K·W-1。

3　实验验证

为验证上述模型热仿真结果的正确性，我们通过实物实验测量LED球泡灯温度，采用一台HY80变频器和两个TM-902C温度测试仪对LED球泡灯样品进行温度测试。所选样品烟囱高度H=30 mm,烟囱数量为6，通风口L=2 mm，参数与基础模型相同。实验测试平台如图4(a)所示，温度监测点如图4(b)所示。经实验测量验证，LED球泡灯最高温度为69 ℃，与模型热仿真所得出的温度仅相差1.66 ℃，误差为2.3%，在允许范围内。实验结果证实了模型仿真步骤的正确性。

图2　实验测试平台(a)及温度监测点(b)

Fig.2Experimental test platform(a) and temperature test points(b)

4　热仿真

我们利用软件对所构建的三维模型进行热仿真。灯罩采用玻璃材质，导热系数为0.2 W/(m·K)；基板采用铝基板，横向导热系数为100 W/(m·K), 纵向导热系数为2 W/(m·K)；散热器采用ADC12压铸铝材质，导热系数为96 W/(m·K)；灯头采用SUS304不锈钢材质，导热系数为8 W/(m·K)。

LED光源设置为体积热源，发热功率为5.2 W。模拟的环境温度设置为20.05 ℃。电源为外置电源，故不考虑其发热。初始网格精度设置为4，将球泡灯整体设置为精度为8的局部初始网格。

5　仿真结果和讨论

5.1烟囱高度对散热效果影响

首先，通过调整烟囱通道的高度H，来探究烟囱高度对散热器散热能力的影响。保持烟囱数量为6，通风口长度L=2 mm不变，烟囱高度H取30～55 mm，利用软件模拟出了不同烟囱高度下LED球泡灯芯片最高温度的变化。6种烟囱高度的模拟计算结果如图3所示。

图3　最高温度和Q随H的变化

Fig.3Relationship between the highest temperature，QandH.

如图3所示，当烟囱通道高度H变化范围为30～45 mm时，随着H的增加，LED球泡灯芯片最高温度呈快速下降趋势；当烟囱高度继续增加时，最高温度下降趋势变得缓慢。分析出现这种现象的原因在于：烟囱高度H在45 mm以下时，烟囱效应随着高度的增加而增强，从而LED球泡灯的散热能力不断增强，使LED芯片的最高温度降低；当烟囱高度超过45 mm时，空气会在烟囱通道内产生回流现象[11]，导致热量在烟囱通道内滞留，不能及时排出，也影响了新的冷空气继续进入烟囱通道，不能形成快速、畅通的自然对流，反而减弱了烟囱效应的强度，影响了散热效果。从图3还可以看出，在H变化范围为30～45 mm时，散热性能因数Q呈直线增加趋势。当H从45 mm增加到55 mm时，Q上升趋势加快。Q越大则散热器的散热性能越差，说明虽然通过增加H可以降低LED球泡灯芯片的最高温度，但同时会为了构建模型引入更多的无用重量。当H由45 mm增加到55 mm时，散热器重量从117.42 g增加到147.76 g，增加了近26%，但LED芯片的最高温度只下降了0.57 ℃。这说明，虽然H的增加使用于散热的散热器重量增大，也使散热器与空气接触的换热面积增大，但由于H高度的过高使烟囱效应减弱，反而使LED芯片的最高温度下降不明显。在实际应用中，烟囱通道高度的增加也会使耗材和重量增加，安全性降低，材料造价和运输成本大大提高。因此，为了使LED芯片最高温度尽可能低，同时又使散热器重量尽可能小，我们取H=45 mm。此时，LED芯片的最高温度为62.59 ℃，散热器的重量为117.42 g，Q=960.59 g·K·W-1。

5.2通风口大小对散热效果的影响

我们在5.1节的研究前提下，进一步对烟囱通道的通风口大小进行优化。以烟囱通道高度H=45 mm，烟囱数量为6，散热器的重量为117.42 g为基础，通过改变通风口长度L来调整通风口大小。经模拟仿真计算，得到了L在0～3.5 mm变化范围下，相应的LED芯片的最高温度及散热器性能因数Q值，其结果如图4所示。

图4　最高温度和Q随L的变化

Fig.4Relationship between the highest temperature，QandL.

由图4可以得出，在L从0 mm增加到1.5 mm的过程中，LED芯片的最高温度由62.94 ℃降低到62.82 ℃，仅降低了0.12 ℃。当L从1.5 mm继续增加到3.5 mm时，LED芯片的最高温度急速下降，每隔0.5 mm依次下降了0.23，0.23，0.27，0.29 ℃。分析出现该现象的原因，当L在0～1.5 mm范围时，通风口仍很小，由于烟囱通道的边界阻力作用[12]，通道内空气流动不明显，不足以引入足够空气来通过对流传热降低散热器温度，烟囱效应不明显。当L在1.5～3.5 mm范围时，空气流量的增大，提高了烟囱通道表面的对流换热系数，同时也增大了其散热表面积。根据牛顿冷却定律：

(7)

式中，φ为热功率，λ为物体表面的对流换热系数，S为物体散热表面积，ΔT为物体表面温度与环境温度差值。

可以看出，对流换热系数的增加，可以增加对流传热带走的热量，从而使LED芯片的最高温度降低。从图4还可以看出，随着L的增加，Q的下降趋势逐渐加快。Q越小则散热器的散热性能越好，可见在一定范围下，随着通风口的增大，散热器的散热性能不断提高。为了使LED芯片的最高温度尽可能低，我们取L=3.5 mm，此时LED球泡灯芯片的最高温度为61.80 ℃，散热器重量为116.82 g，Q=937.93 g·K·W-1。

5.3烟囱数量对散热效果的影响

根据5.1、5.2节的研究，我们以烟囱通道高度H=45 mm、通风口长度L=3.5 mm、散热器重量为116.82 g为基础，进一步研究烟囱数量对散热器散热性能的影响。分别取烟囱数量为0，4，6，12，经模拟仿真计算，得到了相应的LED芯片的最高温度及散热器性能因数Q值，其结果如图5所示。

图5　最高温度和Q随烟囱数量的变化

Fig.5Relationship between the highest temperature，Qand vent number.

从图5可以看出，随着烟囱数量的增加，LED芯片最高温度和Q不断减小。在烟囱数量为0，即散热器结构中没有烟囱效应时，LED芯片的最高温度为62.94 ℃。当烟囱数量增加到12时，LED芯片最高温度降低到61.04 ℃，下降了1.9 ℃。此时，散热器的重量为115.54 g，Q=910.77 g·K·W-1。

由上述研究可知，当烟囱高度H=45 mm、烟囱数量为12、通风口长度L=3.5 mm、散热器重量为115.54 g时，散热器性能因数Q=910.77 g·K·W-1，LED球泡灯的散热性能最好。经计算，所设计散热器的单位质量散热功率为52.9 W/kg。而在工作环境温度和LED最高温度相近的条件下，文献[13]所设计的散热器单位重量散热功率仅为38.7 W/kg。

经优化后，LED球泡灯附近的空气速度流动迹线分布如图6所示，其温度场分布如图7所示。

图6　空气速度流动迹线分布

图7　温度场分布图

如图6所示，由于LED热源工作产生热量，使周围的空气温度升高，产生温度差，进而提供空气上升的浮力，空气进入烟囱通道并顺着通道向上排出，带走热量，提高散热器的散热性能。由图7可见，LED球泡灯工作时的最高温度出现在LED芯片处，热量从LED芯片传导到铝基板上，并向上继续传递给散热器，再由散热器传递到空气中。

5.4不同热功率烟囱效应作用

以上述研究为基础，我们研究了不同热功率条件下，有无烟囱结构的模型的LED芯片最高温度差，其结果如表1所示。

表1不同热功率时有无烟囱结构最高温度对比

Tab.1Comparison of the highest temperature of the exist of chimney with different heat powers

℃

从表1可以看出，随着热功率的增加，温度差值逐渐增大。LED芯片最高温度在加入烟囱结构后明显降低。在热功率达到12 W时，温度差达到4.41 ℃。

6　结　　论

基于烟囱效应，设计了一种特殊的直筒式烟囱结构的LED球泡灯。实物实验证实了模型仿真步骤的正确性。对烟囱高度、通风口大小、烟囱数量先后进行了优化，得到的最佳参数设计为：H=45 mm，烟囱数量为12，通风口长度L=3.5 mm。此时，LED芯片的最高温度为61.04 ℃，散热器重量为115.54 g。并且随着热功率的增大，烟囱效应加强散热器对流散热的能力越来越强。所以，通过引入烟囱结构，可以有效提高LED球泡灯的散热性能。

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唐帆(1990-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，2010年于宝鸡文理学院获得学士学位，主要从事LED散热设计方面的研究。

E-mail: 304462588@qq.com.cn郭震宁(1958-)，男，福建莆田人，博士，教授，2001年于天津大学获得博士学位，主要从事半导体发光器件及LED光学设计和散热设计方面的研究。

E-mail: znguo@hqu.edu.cn

Thermal Design and Experiment of LED Bulb Using Chimney Effect

TANG Fan1, GUO Zhen-ning1,2*, LIN Jie-ben2, LIAO Xuan1, PAN Shi-fa1

(1.CollegofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,KeyLaboratoryofLightPropagationandTransformationofFujianProvince,Xiamen361021,China; 2.FujianQuanzhouSIGOLEDLightingTechnologyCo.,Ltd.,Quanzhou362302,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:znguo@hqu.edu.cn

In order to enhance the cooling capacity of LED lamps and lanterns, we design a special LED bulb with straight chimney structure based on the principle of the chimney effect. We build a three-dimensional model by adopting Solidworks, and use its plug called Flow Simulation to simulate based on the model with the chimney height of 30 mm, chimney number of 6, and vent length of 2 mm. Through experiments, we find the highest temperature of this model is 69 ℃, lower than the simulation result only 1.66 ℃. It confirms the correctness of the simulation steps. Then, we study the influences of different chimney height, chimney number, and vent length on the highest temperature of LED bulb, respectively. The results show that the chimney effect can effectively improve the convection cooling performance of the LED bulb. When the chimney height is 45 mm, chimney number is 12, and vent length is 3.5 mm, the highest temperature of the LED chip is 61.04 ℃, which is 9.62 ℃ lower compared to the original model. Under the same set of model parameters, the highest temperature of the LED bulb has been reduced by 6.16 ℃ compared to the one in the model without a chimney structure, and the weight of radiator has also reduced 2.55 g. In conclusion, the designed LED bulb can better satisfy the working requirements under the nature convection conditions.

straight type; LED bulb; chimney effect; highest temperature

2016-02-18；

2016-03-16

福建省科技计划引导性重点项目(2016H0022)； 泉州市科技计划(2015TZ31); 华侨大学研究生科研创新能力培育计划(1400201001)资助项目

1000-7032(2016)05-0624-07

TN312

A

10.3788/fgxb20163705.0624