（桂林长海发展有限责任公司，桂林 541001）
摘要：当前我国已经开始广泛推行LED灯具的使用以降低能源损耗，要对LED灯具的散热情况进行分析和检验主要通过建模仿真方法进行。基于对LED灯具散热情况影响因素的分析，以及对相关建模软件的了解和使用，本文采用CFD软件对LED灯具的散热情况进行建模仿真，并在此基础上与实验室检测结果相结合，更好地对灯具散热情况进行分析。
关键词：LED灯具；散热情况；建模仿真
引言：
在LED灯具建模仿真过程中，由于各种相关因素都会对灯具散热情况造成影响，所以在建模过程中需要进行相关参数设置。同时由于灯具热量传送中涉及气流变化等相关因素，所以进行建模仿真软件选择时，本文采用CFD软件进行模拟，充分保证仿真结果的正确性和科学性。
1 LED灯具散热情况的边界条件
1.1灯具重力方向
在LED灯具散热时，由于热空气密度低于灯具周边空气，所以灯具重力方向能够对灯具的散热情况造成影响，所以在建模过程中需要施加不同方向的重力场。重力场设置采用以下三种方式：（1）灯头朝下。通过对灯具的建模以及重力场安排，并对相关参数的设置，仿真结果表明，灯具产生的热量主要集中在灯具的基座部位，以5W HL-A60 LED灯具为例，在灯具基座部分温度能够达到70℃，最热部分外一层温度为60℃左右，外二层为40~50℃，最外层温度为28℃左右。（2）灯头朝上方式。灯头朝上方式的建模仿真结果表明，这种方式灯具散热情况较好，热量主要通过灯头部分进行散失，底座部分几乎不会出现热量聚集现象，灯具周边温度为28℃左右。（3）与重力场水平布置方式。建模仿真结果表明，这种方式的温度主要集中在灯具水平面朝上部分，其中最靠近灯具部分温度能够达到65℃左右，最外层温度为40℃左右。
1.2灯具所处环境温度
环境温度对灯具的散热情况有较大影响，所以在建模仿真时针对灯具的不同环境温度进行散热情况模拟，在建模过程中，本文针对灯头、灯具散热情况以及电源工作温度进行了建模和仿真，得到结果如下：（1）环境温度对灯头温度的影响。对灯头部分的数据记录本文记录了灯具的平均温度和最大温度，其中最大温度高于平均温度，两者差值在2℃左右。在进行灯具平均温度与环境温度数据整理中可以发现，环境温度与灯具温度呈线性相关关系，以5WHL-A60LED灯具为例，比例系数在0.8左右。（2）散热器温度。散热器温度变化与灯头温度变化相似，也与环境温度呈线性相关关系，比例系数也为0.8左右。（3）电源工作温度。通过建模仿真结果可以发现，当环境温度低于20℃时，电源工作温度未发生变化，温度为85℃，环境温度高于20℃时，电源工作温度与环境温度呈线性相关，比例系数为0.5左右。
1.3灯具热载荷分布情况
LED灯具热载荷主要体现在灯具光源和电源两个方面，通常情况下LED灯具光电转化效率为30%，所以LED灯具产生的热量计算公式为：
该方程中，Q为灯具产生热量，P为70%的电源输入功率，η为LED灯具的光电转化率[1]。
在LED灯具工作过程中，元器件也会产生一定热量，需要对其余部分产生的热量进行计算，计算方式为电源输入总功率与LED灯具产生热量的差值，并需要按照不同部位的热量进行模型建立。另外在模型建立过程中还需要考虑不同热源对灯具散热情况的影响，热源分为体热源与面热源两种形式，在建模仿真过程中，以25WLED筒灯热载荷为例，其热载荷为17.5W，仿真结果表明，热源种类对仿真过程和结果的影响不大。
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1.4灯具热阻
热阻概念为热量在散热通道上遇到的阻力，该因素能够对LED灯具的散热情况造成很大影响，在灯具工作中，热阻分为接触热阻和导热热阻两种形式，其中接触热阻涉及热交换界面，该界面能够在一定长度上对灯具散热情况进行阻挡，而导热热阻为灯具内部以热传导的形式进行传热的一种散热方式[2]。由于当前LED灯具主要采用接触散热的方式进行灯具热量控制，所以主要对接触面部分进行建模和仿真，并采用等效面建模的方式对灯具的散热面进行模拟和分析，结果表明，导热层厚度会对灯具的散热情况造成很大影响，当粘结层厚度从0.5mm增加到2.5mm的过程中，LED灯具平均温度从63.7℃增加到66.1℃，厚度与温度函数为凸函数。另外粘结层导热系数也会对散热情况造成一定影响，导热系数从3W/K·m降到1W/K·m时，LED灯具平均温度从59.6℃升高到60.8℃，函数变化曲线为凹曲线。
1.5灯具散热材料
不同的灯具散热材料能够提供不同的灯具导热系数，所以在建模仿真过程中需要对不同材料的进行模拟，在模拟之前需要通过相关资料的查找对不同材料的导热系数进行确定和模拟，建模仿真结果表明，其他条件相同时，散热材料导热系数越大，灯具的温度越低，灯具的散热情况越好。以14WLEDPAR30灯具为例，当导热系数为250W/（K·m）时，仿真结果表明灯具的平均温度为63.6℃，导热系数为80W/（K·m）时，灯具平均温度为65℃，当导热系数为50W/（K·m）时，灯具的平均温度升高为67.2℃，该函数图像为凹函数，
1.6散热材料辐射率
在灯具生产过程中，不同的灯具制造方式能够对灯具的辐射率造成很大影响，这就导致灯具的热辐射系数也会具有很大不同，所以在该过程中，需要对灯具的材料进行规定和设置，以探究不同辐射率条件下灯具的散热情况。在该过程中，对不同辐射率条件下灯具和散热器的温度进行记录和调查。建模仿真结果表明，热辐射对灯具本身的影响很大，并且这种影响没有固定规律，其中当辐射率为0.6时，灯具温度最高，达到76℃，当辐射率小于0.6时，灯具温度会下降，辐射率为0.65~0.6区间内，灯具温度提升明显，而0.95到0.65区间内，灯具温度升高较为平缓。另外辐射率对散热器温度的影响曲线中可以发现，辐射率对散热器温度的影响较为平缓，温度变化不大。
2 LED灯具散热建模仿真情况的科学性检验
为了保证建模仿真过程的科学性和有效性，需要在建模仿真后在实验室中对仿真结果进行验证，在实验室测量过程中，将采用无人走动模式，并按仿真方式修改实验室中的温度，并对灯具温度进行测量，结果表明实验室温度与仿真温度相差2℃，说明仿真结果能够满足精确度要求。另外在该过程中，还需要对灯具进行相关处理，使灯具能够在最大程度上与建模仿真的各项数值向匹配，并测量灯具的各部位温度，与建模仿真的结果进行比较，比较结果表明，使用CFD软件进行灯具散热的建模仿真具有很高的科学性和准确性。
结论：
综上所述，在LED灯具散热建模仿真过程中，根据热空气的流动变化模型采用CFD有限元软件进行建模仿真，在建模仿真过程中需要充分考虑各类因素对LED灯具散热效果的影响，通过相关参数的建立对得到的仿真结果进行分析，对LED灯具的设计和制造过程提供指导。
参考文献
[1]陈杰,陈忠,李小红,沈亚锋,熊敬康,王阳夏.照明用大功率LED射灯散热建模研究[J].半导体技术,2013,38(01):60-64.
[2]沈亚峰.LED灯具散热建模仿真关键问题研究[J].半导体光电,2013,34(04):630-634.
论文作者:刘振武 卢智斌
论文发表刊物:《知识-力量》2018年7月下
论文发表时间:2018/7/23
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