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601m/W，和普通T5系列的节能灯差不多，少数能达到85～901m/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 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。

2 原始模型的建立与分析

    CFD软件与 3D软件之间是无缝连接，因此可以直接在中建立散热模型。LED模型参数如表1：

    表1 LED模型参数

    散热外壳参数（表2）：

    表2 散热外壳结构参数

    散热器外形如图1：

    图1 散热器外形

    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。

    图2 求解模型周围流场

    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3：