本文归纳研讨了边界条件设置、热阻核算、热量载荷剖析和散热器等仿真建模的关键问题，并与实验室温度丈量相结合来验证仿真办法的精确性。成果表明，该办法对室内照明LED灯具能进行较为精确的散热剖析，仿真温度差错在4℃左右，仿真成果对LED灯具开发规划具有重要参阅价值。
0 导言
LED归于半导体发光器材，受现在LED芯片的出产制作水平约束，LED高功率产品输入功率仅有约20%~30%转化为光能，剩余的70%左右均转化为热能。结温升高会影响LED的寿数、光效、光色(峰值波长)、色温、配光、可靠性、发光强度、正向电压等，而这些均是影响照明质量的重要要素。
为了操控LED灯具的温升，确保灯具的寿数和可靠性，国表里学者针对照明用LED灯具散热规划的相关研讨已有不少，尤其是使用有限元流体力学CFD仿真软件进行散热模仿仿真剖析，能够全面剖析LED灯具的热传导、热对流及热辐射，剖析求解LED灯具表里的温度场和流场等，十分适用于现在LED照明灯具散热模仿仿真。
本文将从边界条件(环境温度、重力方向等)、热阻核算、热载荷散布和方法、散热资料导热系数和辐射率等几个方面，剖析LED照明灯具散热仿真建模中的关键问题，并经过实验室温度丈量验证模型仿真成果的精度。
1 边界条件
1.1 环境温度
仿真剖析了5WHLA60LED球泡灯在环境温度别离为20、25、30、35、40、45和50℃时的温度场散布状况，图1~3给出的是LED工作温度(图中，max表明LED最高工作温度，avg表明LED均匀工作温度，下同)、散热器均匀温度、电源温度跟着环境温度的改变而呈现出的温度改变趋势图，从仿真成果图中能够看出，LED最大温度和均匀温度、散热器均匀温度与环境温度呈线性改变联系，即环境温度越高，LED最大温度、散热器均匀温度也越高。但它们之间联系不是朴实的线性叠加，份额系数约为0.8.
1.2 重力方向
热量具有与重力反方向的传递趋势，图4所示为5WHLA60LED球泡灯选用三种不同装置方法的温度仿真剖析作用。从图中能够发现灯具温度场因重力方向不同而发生了显着的改变。因而在仿真过程中，要清晰LED灯具的装置方位和方法。
2 热阻
热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力，可经过资料导热系数(K)来核算：
式中，犔表明热通道途径的长度，犃表明热通道有用横截面积。
热阻分为导热热阻和触摸热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方法传递时，遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相触摸固体的接壤面时，界面自身对暖流呈现出显着的热阻，称为触摸热阻。发生触摸热阻的首要原因是，任何外表触摸杰出的两物体，实践触摸面积仅仅接壤面的一部分，其余部分都是缝隙，热量依托缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热才干远不及一般的固体资料。
关于部分热通道资料层因其厚度很小，在建模过程中可不表现出来，而选用等效面触摸热阻代替，便于散热建模CFD仿真剖析。例如：
(1) 选用回流焊工艺将LED光源焊接到铝基板上，LED光源灯珠与铝基板间设置触摸热阻。回流焊层的首要资料成分为锡(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、导热绝缘层和金属底层构成，导电层厚度细小、导热率好，因而可忽略不计；首要热阻由导热绝缘层决议，导热绝缘层厚度小、导热率差，而金属底层厚度大、导热好，若二者按同一资料体设置，仿真成果将会呈现较大差错。
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，核算公式如下：
进一步，R等效可用等效导热系数狉等效来表明，而狉等效可按下式核算：
式中，ri为各层资料导热系数，hi为各通道厚度。
文中灯具选用贝格斯铝基板(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) 铝基板经过导热硅脂或硅胶垫片与散热器衔接，此通道层设置成面触摸热阻，厚度为0.5mm、导热系数为1.5W/(K·m)即可。不同的粘结层资料厚度和导热系数都会对LED工作温度发生影响，如图6和图7所示。
剖析可知粘结层厚度越小，粘结资料导热系数越高，LED的工作温度越低，灯具散热越好。
3 热载荷
3.1 热载荷散布
热载荷首要散布在两个当地，LED光源和电源。LED光源发光而发生的热量是LED灯具首要热源处，当时照明用LED的光电转化功率ηLED约30%,亦即70%左右的LED输入功率PLED转化成热量，则LED发热量QLED：
而LED灯具驱动电源中电子元器材相同也是热源之一。灯具输入总功率(P灯)减去PLED求得电源耗费总功率(P电源)，再依据电源工作功率，即可求出电源发热量Q电源：
3.2 热载荷方法
热源有两种表现方法：体热源和面热源。25WLED筒灯热载荷17.5W.别离依照两种热源方法进行散热仿真。仿真成果底子相同，如图8所示，因而，不同的热源方法关于CFD散热仿真剖析的影响并不是很大。
4 散热资料导热系数和辐射率
4.1 散热资料导热系数
资料的导热系数凹凸反映的是资料热传导才干的强弱，热传导是影响散热的最底子要素，它决议了LED灯具发生的热量能否有用、快速传递到灯具散热外表。不同资料的导热系数因其物理特点、出产工艺等有所不同。仿真剖析14WLEDPAR30射灯，选用不同导热系数的散热资料，对LED灯具的工作温度发生的影响，仿真成果如图9所示，阐明资料的导热系数越高，终究的LED灯具工作温度越低，散热作用越好。
4.2 散热资料辐射率
不同资料的热辐射系数γ是不相同的，即使是同种资料不同外表处理工艺，其热辐射系数也不尽相同[14],因而在CFD散热仿真时，有必要清晰资料及其外表处理状况。仿真剖析了7WLEDPAR16射灯的散热器外表辐射系数别离为0.95、0.9、0.85、0.8、0.7、0.6、0.5的温度场状况，图10和图11给出了LED工作温度、散热器均匀温度随散热资料辐射系数的改变趋势。调查仿真成果能够发现，当资料辐射率在0.80以上改变时，LED工作温度、散热器均匀温度并未呈现较大的改变，阐明关于铝制散热器，资料辐射率到达0.80即可；而当资料辐射率在0.80以下时，LED最大温度、散热器均匀温度随资料辐射率呈线性改变联系，辐射率越低，温度越高。因而，在产品散热资料挑选时，能够外表辐射率0.80为参阅。
5 仿真数据与实验室丈量验证
使用CFD仿真软件别离对7WLEDPAR16射灯、14WLEDPAR30射灯进行散热仿真，依据实验室环境温度，将室温文固体初始温度均设置为29℃，仿真成果如图12、图13所示。实验室温度丈量选用8通道热电耦测温仪TP700,丈量环境为无人走动恒温密闭实验室，环境温度为29℃。将实验室温度丈量成果与CFD仿真成果进行比较，如表1、表2所示。
经过表1和表2的比较能够得出，仿真温度与实验室丈量温度差错最大也仅有4.17℃，最小为0.17℃，阐明本文所树立的LED灯具散热模型比较符合实践工作状况，仿真精度比较高。一起，经过仿真还发现LED灯具驱动电源工作温度过高，在后续产品开发过程中还能够有针对性地处理电源散热问题，提高LED照明灯具产品的寿数和可靠性。
6 定论
边界条件设置、热阻核算、热量载荷剖析和散热器等问题是LED灯具CFD仿真剖析中的关键步骤，需求结合实验室温度丈量进行验证和批改，才干得出较为精确的散热模仿仿真剖析成果。CFD散热仿真成果对LED灯具开发规划具有重要的参阅价值和指导作用，能够缩短研制周期、下降开发规划费用、提高LED灯具产品的可靠性和竞争力。
