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LED灯具散热建模仿真关键问题研究

2013-12-121650安规与电磁兼容网

对于部分热通道材料层因其厚度很小,在建模过程中可不体现出来,而采用等效面接触热阻替代,便于散热建模CFD仿真分析。例如:

(1) 采用回流焊工艺将LED光源焊接到铝基板上,LED光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流焊层的主要材料成分为锡(96%),厚度一般为0.1~0.15mm,导热系数为60W/(K·m)。

(2) 如图5,铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成,导电层厚度微小、导热率好,因此可忽略不计;主要热阻由导热绝缘层决定,导热绝缘层厚度小、导热率差,而金属基层厚度大、导热好,若二者按同一材料体设置,仿真结果将会出现较大偏差。

铝基板绝缘层与回流焊锡层的热阻进行换算成一等效热阻R等效,计算公式如下:

 

进一步,R等效可用等效导热系数狉等效来表示,而狉等效可按下式计算:

 

式中,ri为各层材料导热系数,hi为各通道厚度。

文中灯具采用贝格斯铝基板(绝缘层厚度0.076mm、导热系数1W/(K·m)),则等效导热系数K等效为2.88W/(K·m),厚度为0.226mm.

(3) 铝基板通过导热硅脂或硅胶垫片与散热器连接,此通道层设置成面接触热阻,厚度为0.5mm、导热系数为1.5W/(K·m)即可。不同的粘结层材料厚度和导热系数都会对LED工作温度产生影响,如图6和图7所示。


分析可知粘结层厚度越小,粘结材料导热系数越高,LED的工作温度越低,灯具散热越好。

3 热载荷

3.1 热载荷分布

热载荷主要分布在两个地方,LED光源和电源。LED光源发光而产生的热量是LED灯具主要热源处,当前照明用LED的光电转换效率ηLED约30%,亦即70%左右的LED输入功率PLED转换成热量,则LED发热量QLED:

 

而LED灯具驱动电源中电子元器件同样也是热源之一。灯具输入总功率(P灯)减去PLED求得电源消耗总功率(P电源),再根据电源工作效率,即可求出电源发热量Q电源:

 

3.2 热载荷形式

热源有两种表现形式:体热源和面热源。25WLED筒灯热载荷17.5W.分别按照两种热源形式进行散热仿真。仿真结果基本相同,如图8所示,因此,不同的热源形式对于CFD散热仿真分析的影响并不是很大。

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