LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究_陈杰

2013年6月第24卷第3期照明工程学报

ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO Jun．2013Vol.24No.3

LED 筒灯散热仿真及光源布局优化研究

陈

杰

1，2

（1.厦门大学物理学博士后流动站，福建厦门361005； 2.厦门华联电子有限公司，福建厦门361008）摘

要：为了更好地解决LED 筒灯散热问题，利用CFD 热仿真软件建立LED 筒灯散热模型。考虑了的材料导热率

设置、热阻计算、辐射率设定、热载荷形式等影响灯具散热因素，然后用数值分析模拟和实验室测试相结合的方法，综合分析灯具散热情况。在此基础上，着重研究LED 颗数及LED 间距对光源散热的影响，在仿真分析的基础上对现有LED 筒灯光源布局进行优化。经过实验测量验证，光源布局优化后的LED 工作温度更为理想，能有效提高LED 灯具的寿命，对LED 筒灯的开发设计具有重要的实践意义。关键词：照明；LED 筒灯；散热；建模；仿真中图分类号：TN312.8

文献标识码：A

DOI ：10.3969/j.issn.1004-440X.2013.03.013

Heat Dissipation Modeling Ｒesearch of LED Downlight and Light

Source Layout Optimization

Chen Jie 1，

2

（1.Postdoctoral Flow Station of Xiamen University ，Xiamen 361005，China ；

2.Xiamen Hualian Electronics Co .，Ltd .，Xiamen 361008，China ）

Abstract ：In order to solve the heat dissipation problem of LED downlight ，CFD thermal simulation software is used to establish LED downlight dissipation model．After the consideration of thermal conductivity of materials ，thermal resistance ，thermal radiation coefficient ，heat load forms and other factors ，the numerical simulation and combined laboratory test is used to analysis the lamp's heat dissipation．Based on this analysis ，the paper is focused on the dissipation effect with the LED numbers and the mutual distance．Then LED chips layout of current LED downlight is optimized．Experiment verifies the LED working temperature is much low after optimization and it may improve the LED lamp lifetime effectively．The method may also be used in the future LED downlight design．Key words ：lighting ；LED Downlight ；heat dissipation ；modeling ；simulationz

基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAE01B10），863计划项目（2011AA03A109）

1引言

LED 用于照明存在一个共性的应用难题———散热，目前的LED 仅有20% 30%的光电转换效率，其余的能量转化为热量。若灯具LED 芯片中的热量不能有效散发，会使LED 芯片PN 结温

度过高，导致发光效率降低、芯片发射光谱发生红移、色温质量下降、荧光粉的转换效率降低

［1］

，工作寿命下降甚至可使LED 永久失效等问题［2］

。当前LED 灯具散热方案分为被动散热

和主动散热，被动散热方案如自然散热、热管技

术、均温板技术、回路热管技术［3］

；主动散热如风冷散热、微通道热沉散热、半导体制冷散热

［4］

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等。这些散热方案结构相对较大，在道路照明如LED路灯、LED隧道灯等较大的灯具上可作为有效的方法，但LED筒灯由于其体积大小、外观要求、工作环境的限制影响，更多的还是采用自然散热。

LED筒灯采用LED作为光源，其结构是在传统筒灯结构基础上进行改进。LED筒灯具备传统筒灯的特点，同时兼有了LED的所有优点：节能、低碳、长寿、显色性好、响应速度快等［5］。LED筒灯的设计更加的美观轻巧，安装时能达到保持建筑装饰的整体统一与完美，不破坏灯具的设置，光源隐藏建筑装饰内部，光源不外露。LED筒灯通常采用COB、阵列大功率LED（1W以上）、阵列中小功率LED（0.5W及以下）等几种光源形式，其中阵列中小功率LED光源的光学效果最好，人的视觉效果柔和、均匀，目前大部分LED筒灯都采用这种光源形式。

利用有限元CFD仿真软件可以全面分析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，适用于目前LED照明灯具散热模拟仿真。白坤等［6］对一种3芯白光LED筒灯进行有限元散热模拟，分析了衬底、锡膏、铜箔、铝基板等热通道材料的横向热阻和纵向热阻，并提出一种利用铜柱连接外部散热器的快速热通道优化设计；马湘君等［7］利用有限元方法分析计算了15W LED筒灯温度场，进一步分析了PCB导热率、导热胶导热率和芯片位置（相对于鳍片式散热器）等对LED灯具散热效果的影响。本文将从筒灯主要热源处———LED光源的布局分析它对LED筒灯散热的影响，采用散热模拟仿真与实验测量相结合的方法进行研究，并将研究结果应用于LED筒灯产品改进设计中。

2LED筒灯散热建模及仿真

本次研究选用一款8寸25W LED筒灯作为主要研究对象，其实物如图1所示，三维造型模型图如图2所示。

2.1热阻计算

热阻（Ｒth）是指热量在热通道上遇到的阻力，公式定义为热通道的温差（ΔT）与热通道上的耗散功率（P）之比［8］，见式（1）；

也可通过材料导热

图1LED筒灯实物图

Fig.1LED downlight

lamp

图2LED筒灯三维模型

Fig.2LED downlight lamp model

系数（K）来计算［9］，见式（2）。

Ｒ

th

=Δ

T

P

（1）

Ｒ

th

=

L

AˑK

（2）式中L———表示热通道路径的长度；

A———表示热通道有效横截面积。

热阻可分为导热热阻和接触热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻；产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙，热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。表1列出部分常用材料的导热系数。