基于Flow Simulation的LED照明灯具基于辐射散热的简化研究实验
1. 引言 LED以其低功耗,长寿命和高亮度等特点备受瞩目,正逐渐替代白炽灯和荧光管而成为第三代照明方式。各主要科技大国已经将LED照明项目纳入其发展规划。但LED要真正成为主流照明体,光学和散热问题必须解决。目前LED灯具的光效率大概为60lm/W,和普通T5系列的节能灯差不多,少数能达到85~90lm/W,离真正意义上的节能还有很长的路。用于LED发光的能量只占输入能量的15%左右,其余85%以热能的方式散发,由于LED体积小,内部集成度高造成发热量集中,若外部散热条件不好,必然会使节温上升,产生色温漂移、加速芯片老化,缩短产品寿命。因此,散热成为影响LED产品寿命及可靠性最关键的因素。 在考虑LED散热问题时,主要有两个途径:首先,LED向散热器的热传导过程;其次,散热器在LED传热时达到稳态时向外界的散热过程——对流与辐射。本文利用商业CFD软件SolidWorks Flow Simulation对某型灯具设计进行简化模拟分析,一改之前的模型样机测试,降低开发成本和风险的同时,大大缩短了模型样机制作的漫长周期,实现CAD与CAE的有机结合。 CFD软件与SolidWorks 3D软件之间是无缝连接,因此可以直接在SolidWorks中建立散热模型。LED模型参数如表一:
散热外壳参数(表二):
散热器外形如 图一:
将模型定义为外部流场状态,流体为空气。实际LED灯板为密集阵列,因此不需要对每个LED底部定义发热面,直接将LED灯板底面定义为发热面,发热功率为单个LED功率X LED数量X 光效系数,从而得到热功率为11.4W。定义辐射时,将模型外表面设置为真实辐射表面,查表得到白色漆表面红外辐射率ε为0.8并假设模型处在27℃环境中。由于使用CFD软件进行热分析,故不需要对流体对流系数做进行特殊定义,软件在分析时会自动求解模型周围流场,降低了使用门槛,也提高了分析精度。
模型网格化后进行分析计算,得到稳态后温度及温度场的同时也可以求得周围流体状态。求解结果如图三:
可以观察到,模型最高温度发生在LED PCB上为45.9℃,周围及内部温度场如图三所示。 由于初始模型重量大,达到560g,考虑到安装,运输及成本因素,决定在保证光学性能和产品可靠性的基础上对初始模型进行简化。最简单直接的方式是针对散热器,一改以往压铸工艺,采用旋压工艺。在保证产品出光效果的基础上得到以下改进模型,如表三:
改进后模型如图四: 建立分析模型,由于只是针对散热器进行改进,LED 灯板保持不变,所以LED模型也保持不变;设置散热器表面红外辐射系数ε为0.06,周围温度27℃。分析结果如图五:
图中,在LED处模型达到最高温度,为60.5℃。由图六可以观察模型的表面温度分布情况。
模型温度对于正常使用的产品来说偏高,假如产品在高温条件下使用时,LED节温很容易突破100℃,对LED是致命的。因此必须对该模型进行再改进,使其在重量减低的情况下再满足温度的要求。 由于铝壳是旋压的,未对表面处理时,其表面为抛光铝表面,辐射率ε极低,约0.06。为此需要对表面进行处理,查辐射率表得到,黑色油漆辐射率为0.95以上,白色功能油漆也能达到0.9以上,为了满足外观要求,本文决定使用白色功能油漆涂覆在铝壳上。建立模型,将铝壳外表面定义为白色油漆,设置油漆辐射率为0.9。分析得到LED最高温度为48.7℃,接近原始模型的温度。(分析结果如图七)
各模型表面辐射参数参看表四:
根据以上分析结果,我们建立真实的模型样机,进行实际测量,结果如下 表五:
从以上数据可以观察到,实际模型与分析模型结果很接近,最大误差7.5%,因此工程上认为分析是可靠的。图九为三个模型的实际测试对比曲线。
对于散热优化,一直是各LED产品制造商重点关注的问题,本文利用CFD软件对三个模型求解温度分布,结合对比实验找到了对散热器简化的新思路,得到一种增强辐射散热的方法,一改以往基于空气对流的肋片散热方案,使LED灯具摆脱了以往笨重的特点,并且大大降低了成本;同时,对今后的深入研究奠定了实验基础。 (编辑:陶静) 1票 顶一下
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