LED用于照明存在一个共性的运用难题——散热，现在的LED仅有20%～30%的光电转化功率，其他的能量转化为热量。若灯具LED芯片中的热量不能有用发出，会使LED芯片PN结温度过高，导致发光功率下降、芯片发射光谱发生红移、色温质量下降、荧光粉的转化功率下降[1]，作业寿数下降乃至可使LED永久失效等问题[2]。当时LED灯具散热计划分为被迫散热和自动散热，被迫散热计划如天然散热、热管技能、均温板技能、回路热管技能[3]；自动散热如风冷散热、微通道热沉散热、半导体制冷散热[4]等。这些散热计划结构相对较大，在路途照明如LED路灯、LED地道灯等较大的灯具上可作为有用的办法，但LED筒灯因为其体积巨细、外观要求、作业环境的约束影响，更多的仍是选用天然散热。
LED筒灯选用LED作为光源，其结构是在传统筒灯结构基础上进行改善。LED筒灯具有传统筒灯的特色，一起兼有了LED的一切长处：节能、低碳、长命、显色性好、呼应速度快等[5]。LED筒灯的规划愈加的漂亮轻盈，装置时能到达坚持修建装修的全体一致与完美，不损坏灯具的设置，光源躲藏修建装修内部，光源不显露。LED筒灯一般选用COB、阵列大功率LED(1W以上)、阵列中小功率LED(0.5W及以下)等几种光源办法，其间阵列中小功率LED光源的光学效果最好，人的视觉效果柔软、均匀，现在大部分LED筒灯都选用这种光源办法。
运用有限元CFD仿真软件能够全面剖析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，适用于现在LED照明灯具散热模仿仿真。白坤等[6]对一种3芯白光LED筒灯进行有限元散热模仿，剖析了衬底、锡膏、铜箔、铝基板等热通道资料的横向热阻和纵向热阻，并提出一种运用铜柱衔接外部散热器的快速热通道优化规划；马湘君等[7]运用有限元办法剖析核算了15WLED筒灯温度场，进一步剖析了PCB导热率、导热胶导热率和芯片方位(相关于鳍片式散热器)等对LED灯具散热效果的影响。本文将从筒灯首要热源处———LED光源的布局剖析它对LED筒灯散热的影响，选用散热模仿仿真与试验丈量相结合的办法进行研讨，并将研讨成果运用于LED筒灯产品改善规划中。
LED筒灯散热建模及仿真
本次研讨选用一款8寸25WLED筒灯作为首要研讨目标，其什物如图1所示，三维造型模型图如图2所示。
图1 LED筒灯什物图
图2 LED筒灯三维模型
1.热阻核算
热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力，公式界说为热通道的温差(ΔT)与热通道上的耗散功率(P)之比[8]，见式(1)；也可通过资料导热系数(K)来核算[9]，见式(2)。
(公式1)
(公式2)
式中L———表明热通路途径的长度；
A———表明热通道有用横截面积。
热阻可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办法传递时，遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相触摸的固体的接壤面时，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，任何外表上看来触摸杰出的两物体，直触摸摸的实践面积仅仅接壤面的一部分，其他部分都是缝隙，热量依托缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热才能远不及一般的固体资料。表1列出部分常用资料的导热系数。
表1 常用散热资料导热系数
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。回流焊层为首要资料成分为锡(96%)，厚度一般为0.1～0.15mm，导热系数为60W/(K·m)。
②如图3所示，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。
图3 铝基板结构示意图
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
，核算公式如下：
(公式3)
进一步，
可用等效导热系数
来表明，而
可按下式核算：
(公式4)
式中ri———各热通道层资料导热系数；
hi———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r等效为2.88W/(K·m)厚度0.226mm。
3)铝基板通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。
2.热载荷
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为
(公式5)
热载荷核算是散热仿真过程中的重要一环，LED灯具的热载荷首要散布在两个区域：光源LED和电源。25WLED筒灯热载荷17.5W，热源有两种表现办法：体热源和面热源。两种办法的热源关于CFD散热仿真剖析不同并不是很大，如图4所示。
图4 热源载荷设置
3.资料外表热辐射系数的设定
不同资料的热辐射系数是不相同的，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[10]，因而在CFD散热仿真时，有必要清晰资料及其外表处理状况。图5给出的是同一灯具，不同散热器外表辐射系数(旋压铝AL10600.65；AL10600.85)的散热仿真成果比较。调查图5中散热器多点仿真温度值和最高温度值能够发现，辐射系数的差异最终会影响到整个LED灯具温度场散布状况。
图5 辐射系数试验
散热模仿仿真建模
1.试验室测验
本次试验选用25WLED筒灯进行试验室丈量，试验室丈量设备选用8通道测温仪TP700，建立的LED灯具试验室温度丈量渠道如图6所示，丈量环境为无人走动恒温密闭试验房间。丈量点方位如图7所示，并与25W散热模仿仿真成果(如图8所示)进行比较，从表2中可知，仿真成果较为精确，与试验室丈量差错在3℃以内。因而，本次的仿真数据得到的理论温度数据与实践温度数据较为挨近，可作为参阅效果。
图6 试验室丈量渠道
图725W筒灯光源板温度丈量点方位
图825W筒灯仿真剖析成果
2.现有25WLED筒灯光源板热仿真剖析
25W8寸LED筒灯选用60颗5630LED安置的光源计划，灯具所运用的资料及其导热系数见表2。
表2 25WLED筒灯灯具资料及其导热系数
环境温度设置为26.7°C，仿真成果如图8所示。
3.试验室丈量与仿真试验数据剖析
从表3中数据能够发现，丈量点②～⑥实测温度与仿真温度比较挨近(根本在2%差错范围内)，仿真试验办法精确可信，后续将选用相同的参数和边界条件进行优化仿真剖析试验。比照剖析丈量点①的实测温度高于仿真温度约5℃，通过剖析，这是因为在样品制作出产过程中其工艺、安装以及后续的丈量影响要素形成的，但能够剖分出丈量点①所在的最内环LED温度显着高于最外环。所以，以这一光源板布局来看，尽管其LED作业温度还处于比较抱负的范围内，但形成整个光源板的LED作业温度不均，最终会导致最内环LED寿数最短，影响光源板全体寿数。因而，归纳试验丈量及仿真成果，将对光源板布局进行优化规划，完成光源板全体LED作业温度下降，进步光源板全体寿数。
表3 试验室丈量与仿真温度比照(室温26.7℃)
光源布局优化规划
光源布局优化要兼顾到散热、电学、机械结构、光学和出产工艺等多个方面。因为受光源铝基板尺度约束，若依然选用4环，光源布局并无多大可优化空间。因而，本次光源布局优化将从原先4环LED布局，调整为3环LED布局。依据功率设置、光源板规划空间和光学要求，调整LED数量及LED排布距离，通过热仿真软件剖析，确认最佳布局计划。
