led照明灯具的icepak热分析-王明霞.pdf

LED 照明灯具的 ICEPAK 热分析 [周俊杰，王明霞] [郑州大学化工与能源学院，450001] [ 摘摘 要要 ] LED 照明灯具由于本身体积小功率大的原因，在工作时释放大量热量，影响其发光效率和 使用寿命，散热问题一直是 LED 照明灯具的一个棘手问题因此，本文就使用专门的热分析软件 Icepak 对 LED 照明灯具的散热问题进行探讨通过模拟，探讨模型内的温度、速度和压力分布，以及背板的温度 和压力云图，并提出有效的改进措施 [ 关键词关键词 ] LED；Icepak；热分析；影响因素；优化 Thermal analysis of LED lighting lamps using ICEPAK [Zhou Junjie，Wang Mingxia] [Department of Chemical Engineering and Energy of Zhengzhou University,450001] [ Abstract ] Because of small size but large power,LED lighting lamps release a large amount of heat at work, affecting the luminous efficiency and service life, heat dissipation problems has always been a thorny issue of LED lighting lamps.Therefore, in this paper, using special thermal analysis software Icepak, heat dissipation of LED lighting lamps is discussed.Through simulation, this paper discusses velocity and pressure distribution of temperature in the model, and the lagging of temperature and pressure contours, and the effective improvement measures are put forward. [ Keyword ] LED; Icepak; affecting factors; thermal analysis; optimization 1 前言 自 1998 年美国 Lumileds Lighting 公司封装出世界上第一个大功率 LED 以来， 大功率 LED 以其体积小、 效率高、 寿命长、 节能、 环保等特点受到国内外研究者的青睐。

随着 LED 芯片的输入功率不断增大，LED 的热量累积越来越多，由于温度升高而产生的热效应逐渐 明显，从而影响到 LED 的使用寿命和可靠性因此，对大功率 LED 进行合理的热设计， 提高其散热能力成为亟待解决的关键技术之一 [1] 吴志强 [2]在介绍 LED 光源诸多优点的基础上，阐述了其应用现状与发展前景田明航 等 [3]提出了利用热管技术对大功率 LED 进行散热的构想， 设计了 LED 热管散热器的原理结 构， 并对其传热机理、 传热路线和各传热阶段的热阻进行了定性分析和定量分析 刘一兵等 [4] 在分析功率 LED 受热效应影响的基础上，从改进 LED 结构角度来解决散热问题指出采用 导热性能优良的封装材料是提高散热效率的重要途径，并对密封材料，键合材料，散热基板 对散热的影响作了详细的分析 由于温度急剧升高，对 LED 照明灯具的发光效率和寿命产生不可逆转的影响，如温度 每升高 10℃就会导致光衰 5~8%，同时导致使用寿命减半 [5]因此，本文就使用 Icepak 软 件探讨 LED 照明灯具的散热问题 2 数学物理模型 2.1 问题描述 LED 照明灯具的机柜包含 34 个 LED 热源（密封在 1 个腔体内），1 块背板，34 个翅 片，3 个风扇，和 1 个自由开孔。

翅片和背板用铝挤压型材，每个风扇质量流量为 0.05kg/s， 每个热源功率为 10W，腔体的传热系数为 15W/(m2.K)根据设计目标，当环境温度为 20℃ 时，设备的背板不能超过 90℃完整的 LED 照明灯具的模型如图 1 所示 图1 LED照明灯具模型 2.2 理论基础 2.2.1 控制方程 1） 质量守恒方程： 0=•∇ u （1） 2）动量守恒方程： fgTpuu t u T T ρβρρ τ 0 0 00 )(+−−•∇+−∇=       ∇•+ ∂ ∂ （2） 3） 能量守恒方程： QTkTu t T cp +∇••∇=       ∇•+ ∂ ∂ )( 0 ρ （3） 其中，u—速度；ρ0—参考条件下的密度（T0）；T—温度；p—压力；t—时间；g— 重力加速度；β T —体积膨胀系数；f—体积力；c p —热容；k—导热率；Q—体积热源；0 —下标 2.2.2 计算假设 1）认为空气是不可压缩流体 2）空气进口温度设为环境温度 3）忽略翅片和背板的接触热阻，认为认为二者接触部分的温度相同。

4）将热源简化为二维热源，使其紧贴背板，忽略热源与背板之间的接触热阻，认为二 者接触部分的温度相同 2.2.3 评价指标 由于温度升高使元件所受的热应力增大，当热应力超过材料的屈服强度时材料就会失 效， 致使元件的性能下降 所以本文以系统内最高温度作为评价翅片式散热器可靠性的指标： 相同条件下，改变有效参数，系统内最高温度较低的可靠性较高 2.3 边界条件 （1）环境属性：环境温度设为 20℃，压力是 101325N/m2； （2）冷却剂属性：冷却剂是空气，密度是 1.225kg/m3； （3）出口温度设为环境温度，为自由开口；流动方向为沿法线方向流出； （4）翅片和背板的材料均为铝挤型材，密度是 2800.0kg/m3，比热是 900J/kg.k，电导 率是 205.0W/m.K，传导性是各向同性； （5） 机柜为固体壁面； 腔体的所有壁面均为光滑固定平面， 传热系数是 15W/ （m2.K） （6）松弛系数的设置为压力、动量、温度、粘度、质量力，其对应的数值分别为 0.3、 0.7、1.0、1.0、1.0 2.4 网格划分 图 2 网格划分 如图 2，采用六面体非结构化网格划分网格。

网格数量为 163816 个，节点 174978 个 3 结果分析与讨论 检查气流，得到雷诺数 69197.6，选择 RNG 湍流模型进行计算 (a) 温度 (b) 速度 (c) 压力 图 3 Z=0.05 处 X-Y 面上的温度、速度、压力分布云图 图 3(a)显示，由于风量影响，靠近风扇一侧的温度明显低于出口处的温度，高温集中于 靠近出口区域；图 3(b)显示，机柜内 Z=0.05m 处 X-Y 面上空气的速度矢量，可以看出机柜 内的空气有很大扰动，靠近风扇的扰动大于远离风扇的扰动；图 3(c)显示，该截面机柜内的 压力分布有明显的区域差异，靠近出口处的压力明显高于风量进口测的压力 (a) 温度分布 (b) 压力分布 图 4 背板的温度和压力分布云图 图4(a)显示，背板最高温度是52.81℃，小于90℃，所以此时的风量可以冷却这些热源 图4(b)中，局部压力高达250N/m2，对靠近背板的翅片根部造成一定程度的冲击，产生很大 噪音，也容易使翅片损坏，所以需要对此模型进行优化 3 总结与展望 模拟结果显示，背板的最高温度是52.81℃，小于90℃，所以此时的风量可以冷却这些 热源。

但由于背板的温度和压力分布有些集中，所以下一步可以对模型进行优化 影响LED灯具散热的因素有：结构构件间的热阻，表面对流系数，散热系数，空气热交 换，散热主渠道，材料，热传导系数，散热片散热面积，铝基板LED的颗粒分布，散热片形 状设计，翅片分布，辐射系数，外部环境等影响因素[3]在热设计仿真分析中，可以改变散 热器翅片间距分布、翅片高宽比、翅片形状、散热器总散热面积等因素，来探讨其对LED 灯具散热的影响 [ [参考文献参考文献] ] [1] 韩媛媛,郭宏. 数值模拟在大功率 LED 封装热分析中的应用现状[J]. 材料导报. 2010(21) [2] 吴志强. LED 照明的应用现状与发展前景[J]. 科技信息. 2009(06) [3] 田明航,冯毅. 大功率 LED 热管散热的分析[J]. 低温与超导. 2010(06) [4] 刘一兵,黄新民,刘国华. 基于功率型 LED 散热技术的研究[J]. 照明工程学报. 2008(01) [5] 包刚强，LED 照明灯具的热分析技术--- ANSYS 有限元分析，西希安工程模拟软件(上海)有限公司. 。