郭开元，刘红军，林　坤，管　菁

（哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室深圳风环境技术工程实验室，广东深圳518055）

环境不利因素对大功率LED灯翅片散热性能影响研究

郭开元，刘红军，林坤，管菁

（哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室深圳风环境技术工程实验室，广东深圳518055）

利用正交实验法和数值计算方法，模拟了在不同翅片厚度、间距和高度，不同开缝条数和底板厚度等条件下，环境的湿度和翅片蒙尘情况对LED灯散热性能的影响。计算结果表明：在环境湿度为90%的情况下，LED芯片的最高温度相比正常环境中工作的LED芯片温度提高了1.66℃至6.58℃；蒙尘作用对于散热的影响较小，散热器蒙尘时LED芯片的最高温度相比正常环境中工作的LED芯片温度提高了0.1℃至0.66℃.

LED散热；湿度；蒙尘；正交试验法；数值计算

随着经济的不断发展，资源短缺成为制约经济发展的关键因素。在大力倡导节能减排的社会背景下，LED作为一种高效节能光源代替白炽灯被大规模的使用。但是LED是一种热敏原件，其寿命和可靠性与其工作环境的温度密切相关，高温严重影响LED的使用寿命和可靠性。Narendran等人［1］已经通过实验验证：LEDs的寿命与LED芯片节点温度的增加成指数形式下降。因此，LED的散热性能作为评价LED工作效能的关键因素，被越来越多的学者研究，尤其是对散热产生直接影响的环境因素。通常主要考虑的环境因素有：温度、湿度和蒙尘等因素。韩国Shin MooWhan教授研究组［2］、意大利Padova大学的Meneghini等［3］开展了大功率LED高温老化可靠性实验，对比老化前后的LED模块，发现其封装热阻增加，热应力增大，光效降低，可靠性降低。对于湿度因素，韩国Shin Moo Whan教授研究组研究较多，在文献［4-6］中，他们实验测量了大功率LED模块在不同的湿度下工作一段时间后的电压变化，并以此推断封装热阻的变化，结果发现封装热阻大大增加；Tan等［7］通过对小功率LED模块置于一定温度、湿度条件下进行可靠性实验，对结果进行分析，推断LED样品性能的下降主要是由于LED芯片和荧光粉性能衰减两个因素。

但是国内外对LED散热的研究存在以下缺陷：忽略了辐射换热作用；缺乏对LED散热结构整体换热和流动特性的研究；过于偏重对高温条件下的研究，对湿度因素研究较少，对于蒙尘因素几乎没有涉及。针对以上缺陷，本文根据LED自然对流的特点，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics CFD）方法构建起包括LED芯片、基板、散热器和外部流体空间的全场三维数学模型，采用带浮力修正的k-ε模型计算对流散热和热辐射。通过该数学模型对LED阵列的自然对流散热过程进行数值模拟，分析湿度和蒙尘的环境因素对其散热性能的影响。

1　数值模型

1.1数学模型的建立

对流换热是由于流体宏观运动引起的流体各部分之间发生的相对位移，冷热相互掺混所导致的热量传递过程。对稳态不可压缩流体的二维平板层流边界层的边界层厚度方向进行积分，得其向量形式：

式中，

ρ为流体的密度；k为流体的热导率；

cp为定压比热容；

θ为流体速度与温度梯度方向的夹角；

qw为表示固体壁面与流体之间的热通量。

LED散热器的外部流场不仅要满足对流换热控制方程，还需要符合流体的控制方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。其中质量守恒方程和动量守恒方程又叫Navier-Stokes方程（简称N-S方程）。为了提高计算效率，基于雷诺平均思想，对N-S方程进行平均化处理，可得到描述湍流平均运动的雷诺方程［8］：

式中，Au'iu'j为雷诺应力。k-ε模型采用涡粘系数模式对其进行封闭，即引入湍流粘性系数μi的概念，建立起平均速度场与雷诺应力的关系：

式中，δij为克罗内尔函数；k=u'iu'j/2为湍流脉动动能。根据脉动能量输运的物理机制，湍流粘性系数应满足如下关系式：

式中，Cμ是无纲系数，ε是脉动动能耗散率。式（2-6）就是k-ε模型中湍流粘性系数的表达式，它将湍流粘性系数和湍动能及湍动能耗散联系在一起，包括了湍涡输运的部分历时效应。其中，k和ε分别用他们的输运方程解出。本文采用带有浮力修正的k-ε模型来考虑湍流效应，其控制方程如下：

Gk=Dt（为湍动能生成项；

Gb=为浮力修正项；

Cε1、Cε2和Cε3为模型系数，可根据渐进性原则确定［9］，即模型预测的简单流动结果应当和直接数值模拟或实验结果一致，其取值见表1.

表1　模型系数

1.2工况设置

为了能够更加全面的评估湿度和蒙尘对LED翅片的散热情况，本文还考虑了不同翅片厚度、间距、高度、开缝条数、底板厚度的LED翅片在湿度和蒙尘的影响下的散热情况。翅片厚度t分别取：1.0 mm、1.7 mm、2.4、3.1 mm，翅片间距d分别取：5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，翅片高度h分别取：20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，底板厚度δ分别取：4 mm、5 mm、6 mm、7 mm，开缝条数n：0～3条。为了能够全面的了解各个因素对散热情况的影响，本文采用正交试验的方式进行研究。

2　数值模拟结果分析

2.1湿度对翅片散热性能的影响

空气湿度是指空气中水蒸气的含量。本文用相对湿度来衡量湿度的大小，相对湿度（Φ），即在一定的温度和气压下空气中实际水蒸汽量与饱和水蒸汽量之比。在建筑工程中常用实际水蒸汽分压力（e）与饱和水蒸汽分压力（E）比值的百分数来表示相对湿度。饱和空气的相对湿度为100%.相对湿度的表达式为：

根据广东省气象资料发现，广东地区湿度偏大，模拟时湿度取90，确保LED翅片的正常工作，研究其对LED翅片散热的影响。十六种工况仿真模拟结果分别与正常LED散热结果进行对比，如图1和图2所示。

图1　高湿与一般情况温度对比图

图2　高湿与一般情况温差图

从图1和图2中看出，高湿情况下的LED散热性能变差，其中主要原因有两个：一是空气的物理属性随着水蒸汽增加而变化；二是由于高湿条件下，芯片内部会产生应力，对芯片产生破坏，导致热量增多。观察模拟结果发现，工况二即当t=1 mm、d=10 mm、h=30 mm、n=1 mm、δ=5 mm时抵抗高湿情况最好；而工况四即当t=1 mm、d=20 mm、h=50 mm、n=3 mm、δ=7 mm时，则有较大的温度变化，分别对比以上两工况的流场变化，研究湿度对不同工况的流场影响。通过观察流线图，发现工况二流线图整体趋势不变，湿度对流线影响不大，但是湿度对工况四会产生较大的副作用，在流场中间，流场将变得紊乱，使得热量无法从翅片之间散发出去。

2.2蒙尘对翅片散热性能的影响

本文对灰尘的研究是将灰尘作用后的翅片热辐射能力与洁净状态下的翅片热辐射能力进行对比，从而得到灰尘对翅片散热能力的影响。

十六种工况仿真模拟结果分别与正常LED散热结果进行对比，如图3，图4所示。

图3　蒙尘和无尘温度对比图

图4　蒙尘和无尘温差图

从图3和图4中可以看出，蒙尘和无尘温度差距不大，最大的差距也就1.8℃，这证明蒙尘LED的对流散热性能没有太明显的影响。观察各个工况的流线图，可以发现蒙尘对流场的影响也微乎其微。

3　结束语

本文根据LED自然对流的特点，采用带浮力修正的k-ε模型计算对流散热和热辐射。通过该数学模型对LED阵列的自然对流散热过程进行数值模拟，分析湿度和蒙尘的环境因素对不同结构的LED翅片散热性能的影响，得到如下结论：

（1）在高湿环境中，LED灯具内部的水蒸汽受热膨胀产生湿应力，散热系统外部流场的状态和性质也会发生变化，从而影响LED散热系统的对流散热效果。在环境湿度为90%的情况下，根据正交实验法设计了不同散热翅片厚度、间距、高度、开缝条数及底板厚度的十六个工况，LED芯片的最高温度相比正常环境中工作的LED芯片温度提高了1.66℃至6.58℃.

（2）蒙尘作用会影响散热翅片的辐射效果，但是由于翅片辐射散热在LED整体散热中所占比重较小，所以蒙尘作用对散热影响效果很小。在正交实验法设计的不同散热翅片厚度、间距、高度、开缝条数及底板厚度的十六个工况中，散热器蒙尘时LED芯片的最高温度相比正常环境中工作的LED芯片温度提高了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］陶文铨.数值传热学［M］.第二版.西安：西安交通大学出版社，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

深圳市知识创新计划研究项目：“基于微观流动分析的功率型LED翅片散热研究”（项目编号：JCYJ20130329145813840）资助。

郭开元（1993-），男，河南开封人，在读研究生，研究方向：流场分析及流动控制；林坤（1984-），男，山东聊城人，博士，助理研究员，研究方向：流场优化、风洞试验技术。