環境不利因素對大功率LED燈翅片散熱性能影響研究

郭開元，劉紅軍，林　坤，管　菁

（哈爾濱工業大學深圳研究生院深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室深圳風環境技術工程實驗室，廣東深圳518055）

環境不利因素對大功率LED燈翅片散熱性能影響研究

郭開元，劉紅軍，林坤，管菁

（哈爾濱工業大學深圳研究生院深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室深圳風環境技術工程實驗室，廣東深圳518055）

利用正交實驗法和數值計算方法，模擬了在不同翅片厚度、間距和高度，不同開縫條數和底板厚度等條件下，環境的濕度和翅片蒙塵情況對LED燈散熱性能的影響。計算結果表明：在環境濕度為90%的情況下，LED芯片的最高溫度相比正常環境中工作的LED芯片溫度提高了1.66℃至6.58℃；蒙塵作用對于散熱的影響較小，散熱器蒙塵時LED芯片的最高溫度相比正常環境中工作的LED芯片溫度提高了0.1℃至0.66℃.

LED散熱；濕度；蒙塵；正交試驗法；數值計算

隨著經濟的不斷發展，資源短缺成為制約經濟發展的關鍵因素。在大力倡導節能減排的社會背景下，LED作為一種高效節能光源代替白熾燈被大規模的使用。但是LED是一種熱敏原件，其壽命和可靠性與其工作環境的溫度密切相關，高溫嚴重影響LED的使用壽命和可靠性。Narendran等人［1］已經通過實驗驗證：LEDs的壽命與LED芯片節點溫度的增加成指數形式下降。因此，LED的散熱性能作為評價LED工作效能的關鍵因素，被越來越多的學者研究，尤其是對散熱產生直接影響的環境因素。通常主要考慮的環境因素有：溫度、濕度和蒙塵等因素。韓國Shin MooWhan教授研究組［2］、意大利Padova大學的Meneghini等［3］開展了大功率LED高溫老化可靠性實驗，對比老化前后的LED模塊，發現其封裝熱阻增加，熱應力增大，光效降低，可靠性降低。對于濕度因素，韓國Shin Moo Whan教授研究組研究較多，在文獻［4-6］中，他們實驗測量了大功率LED模塊在不同的濕度下工作一段時間后的電壓變化，并以此推斷封裝熱阻的變化，結果發現封裝熱阻大大增加；Tan等［7］通過對小功率LED模塊置于一定溫度、濕度條件下進行可靠性實驗，對結果進行分析，推斷LED樣品性能的下降主要是由于LED芯片和熒光粉性能衰減兩個因素。

但是國內外對LED散熱的研究存在以下缺陷：忽略了輻射換熱作用；缺乏對LED散熱結構整體換熱和流動特性的研究；過于偏重對高溫條件下的研究，對濕度因素研究較少，對于蒙塵因素幾乎沒有涉及。針對以上缺陷，本文根據LED自然對流的特點，基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics CFD）方法構建起包括LED芯片、基板、散熱器和外部流體空間的全場三維數學模型，采用帶浮力修正的k-ε模型計算對流散熱和熱輻射。通過該數學模型對LED陣列的自然對流散熱過程進行數值模擬，分析濕度和蒙塵的環境因素對其散熱性能的影響。

1　數值模型

1.1數學模型的建立

對流換熱是由于流體宏觀運動引起的流體各部分之間發生的相對位移，冷熱相互摻混所導致的熱量傳遞過程。對穩態不可壓縮流體的二維平板層流邊界層的邊界層厚度方向進行積分，得其向量形式：

式中，

ρ為流體的密度；k為流體的熱導率；

cp為定壓比熱容；

θ為流體速度與溫度梯度方向的夾角；

qw為表示固體壁面與流體之間的熱通量。

LED散熱器的外部流場不僅要滿足對流換熱控制方程，還需要符合流體的控制方程，包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。其中質量守恒方程和動量守恒方程又叫Navier-Stokes方程（簡稱N-S方程）。為了提高計算效率，基于雷諾平均思想，對N-S方程進行平均化處理，可得到描述湍流平均運動的雷諾方程［8］：

式中，Au'iu'j為雷諾應力。k-ε模型采用渦粘系數模式對其進行封閉，即引入湍流粘性系數μi的概念，建立起平均速度場與雷諾應力的關系：

式中，δij為克羅內爾函數；k=u'iu'j/2為湍流脈動動能。根據脈動能量輸運的物理機制，湍流粘性系數應滿足如下關系式：

式中，Cμ是無綱系數，ε是脈動動能耗散率。式（2-6）就是k-ε模型中湍流粘性系數的表達式，它將湍流粘性系數和湍動能及湍動能耗散聯系在一起，包括了湍渦輸運的部分歷時效應。其中，k和ε分別用他們的輸運方程解出。本文采用帶有浮力修正的k-ε模型來考慮湍流效應，其控制方程如下：

Gk=Dt（為湍動能生成項；

Gb=為浮力修正項；

Cε1、Cε2和Cε3為模型系數，可根據漸進性原則確定［9］，即模型預測的簡單流動結果應當和直接數值模擬或實驗結果一致，其取值見表1.

表1　模型系數

1.2工況設置

為了能夠更加全面的評估濕度和蒙塵對LED翅片的散熱情況，本文還考慮了不同翅片厚度、間距、高度、開縫條數、底板厚度的LED翅片在濕度和蒙塵的影響下的散熱情況。翅片厚度t分別取：1.0 mm、1.7 mm、2.4、3.1 mm，翅片間距d分別取：5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，翅片高度h分別取：20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，底板厚度δ分別取：4 mm、5 mm、6 mm、7 mm，開縫條數n：0～3條。為了能夠全面的了解各個因素對散熱情況的影響，本文采用正交試驗的方式進行研究。

2　數值模擬結果分析

2.1濕度對翅片散熱性能的影響

空氣濕度是指空氣中水蒸氣的含量。本文用相對濕度來衡量濕度的大小，相對濕度（Φ），即在一定的溫度和氣壓下空氣中實際水蒸汽量與飽和水蒸汽量之比。在建筑工程中常用實際水蒸汽分壓力（e）與飽和水蒸汽分壓力（E）比值的百分數來表示相對濕度。飽和空氣的相對濕度為100%.相對濕度的表達式為：

根據廣東省氣象資料發現，廣東地區濕度偏大，模擬時濕度取90，確保LED翅片的正常工作，研究其對LED翅片散熱的影響。十六種工況仿真模擬結果分別與正常LED散熱結果進行對比，如圖1和圖2所示。

圖1　高濕與一般情況溫度對比圖

圖2　高濕與一般情況溫差圖

從圖1和圖2中看出，高濕情況下的LED散熱性能變差，其中主要原因有兩個：一是空氣的物理屬性隨著水蒸汽增加而變化；二是由于高濕條件下，芯片內部會產生應力，對芯片產生破壞，導致熱量增多。觀察模擬結果發現，工況二即當t=1 mm、d=10 mm、h=30 mm、n=1 mm、δ=5 mm時抵抗高濕情況最好；而工況四即當t=1 mm、d=20 mm、h=50 mm、n=3 mm、δ=7 mm時，則有較大的溫度變化，分別對比以上兩工況的流場變化，研究濕度對不同工況的流場影響。通過觀察流線圖，發現工況二流線圖整體趨勢不變，濕度對流線影響不大，但是濕度對工況四會產生較大的副作用，在流場中間，流場將變得紊亂，使得熱量無法從翅片之間散發出去。

2.2蒙塵對翅片散熱性能的影響

本文對灰塵的研究是將灰塵作用后的翅片熱輻射能力與潔凈狀態下的翅片熱輻射能力進行對比，從而得到灰塵對翅片散熱能力的影響。

十六種工況仿真模擬結果分別與正常LED散熱結果進行對比，如圖3，圖4所示。

圖3　蒙塵和無塵溫度對比圖

圖4　蒙塵和無塵溫差圖

從圖3和圖4中可以看出，蒙塵和無塵溫度差距不大，最大的差距也就1.8℃，這證明蒙塵LED的對流散熱性能沒有太明顯的影響。觀察各個工況的流線圖，可以發現蒙塵對流場的影響也微乎其微。

3　結束語

本文根據LED自然對流的特點，采用帶浮力修正的k-ε模型計算對流散熱和熱輻射。通過該數學模型對LED陣列的自然對流散熱過程進行數值模擬，分析濕度和蒙塵的環境因素對不同結構的LED翅片散熱性能的影響，得到如下結論：

（1）在高濕環境中，LED燈具內部的水蒸汽受熱膨脹產生濕應力，散熱系統外部流場的狀態和性質也會發生變化，從而影響LED散熱系統的對流散熱效果。在環境濕度為90%的情況下，根據正交實驗法設計了不同散熱翅片厚度、間距、高度、開縫條數及底板厚度的十六個工況，LED芯片的最高溫度相比正常環境中工作的LED芯片溫度提高了1.66℃至6.58℃.

（2）蒙塵作用會影響散熱翅片的輻射效果，但是由于翅片輻射散熱在LED整體散熱中所占比重較小，所以蒙塵作用對散熱影響效果很小。在正交實驗法設計的不同散熱翅片厚度、間距、高度、開縫條數及底板厚度的十六個工況中，散熱器蒙塵時LED芯片的最高溫度相比正常環境中工作的LED芯片溫度提高了0.1℃至0.66℃.

［1］Narendran N，Gu Y.Life of LED-Based White Light Sources ［J］.Journal of Display Technology，2005，1（1）：167-171.

［2］Hu J，Yang L，Shin M W.Electrical，optical and thermal degradation of high power GaN/InGaN light-emitting diodes［J］. Journal of Physics D Applied Physics，2008，41（3）：295-302.

［3］M.Meneghini，L.Trevisanello，C.Sanna et al.High temper ature electro-optical degradation of InGaN/GaN HBLEDs［J］. Microelectronics Reliability，2007，（47）：1625-1629.

［4］Hu J，Yang L，Shin M W.Thermal effects of moisture inducing delamination in light-emitting diode packages［C］. Electronic Components&Technology Conference.2006：635516 -635516-9.

［5］Hu J，Yang L，Shin M W.Mechanism and thermal effect of delamination in light-emitting diode packages［J］.Microelec tronics Journal，2007，38（2）：157-163.

［6］J.Z.Hu，L.Q.Yang，M.W.Shin.Electrical，optical and thermal degradation of high power GaN/InGaN light-emitting diodes［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2008，（41）：035107.

［7］Tan C M，Chen B K E，Xu G，et al.Analysis of humidity effects on the degradation of high-power white LEDs［J］. Microelectronics Reliability，2009，49（9-11）：1226-1230.

［8］陶文銓.數值傳熱學［M］.第二版.西安：西安交通大學出版社，2009.

［9］Launder B E，Spalding D B.The numerical computation of turbulent flows［J］.Computer methods in applied mechanics and engineering，1974，3（2）：269-289.

Study on the Influence of Environmental Adverse Factors on the Heat Dissipation Performance of High Power LED Lamp

GUO Kai-yuan，LIU Hong-jun，LIN Kun，GUAN Jing
（Harbin Institute of Technology，Shenzhen graduate school，Shenzhen Key Lab of Urban&Civil Engineering Disaster Prevention&Reduction，Shenzhen Engineering Lab for Wind Environment and Technology Shenzhen，Shenzhen Guangdong 518055，China）

Using the orthogonal experimental method and numerical calculation method to simulate the affect of LED lamp heat dissipaintion different conditions：fin thickness，spacing，height，different slot number and thickness of plate，with environmental of humidity and fin disgraceful situation on LED.The calculation results show that：When the humidity value is 90%，the highest temperature of the LED chip compared to the normal work of LED chip temperature increased 1.66℃to 6.58℃；dust has a little influence on the heat，when the radiator is in dusty，LED chip of the highest temperature compared to normal environment led chip temperature provided high 0.1℃to 0.66℃.

LED lamp；heat dissipate；humidity；disgraceful；orthogonal test method；numerical calculation

TN312.8

A

1672-545X（2016）07-0035-04

2016-04-04

深圳市知識創新計劃研究項目：“基于微觀流動分析的功率型LED翅片散熱研究”（項目編號：JCYJ20130329145813840）資助。

郭開元（1993-），男，河南開封人，在讀研究生，研究方向：流場分析及流動控制；林坤（1984-），男，山東聊城人，博士，助理研究員，研究方向：流場優化、風洞試驗技術。