摘要：LED灯具的可靠性主要依赖于灯具的散热性能，但目前灯具的散热设计多依赖于人工经验，没有较好的方法来评估灯具工作时的峰值温度。文章在设计一款新型大功率LED灯具基础上，采用流体仿真软件对模型进行散热分析，得到灯具不同部件处的温度云图和监测点处的温度仿真数值，为灯具结构的散热设计提供了一种新的评估方式。
关键词：LED防爆灯具；灯具散热设计；热仿真；散热结构设计；散热器
0引言
随着基于半导体技术的发光二极管（LED）的迅速发展，LED照明灯具的发光照明效率稳步提升。与传统照明灯具相比，LED灯具的节能、发光效率更高，寿命更长，LED照明灯具已经被广泛用于汽车、道路、车间、航天和城市亮化领域。然而，即使被称为第四代照明技术的代表，LED灯具的光电转换效率也只有20%～40%[1]。LED灯具工作时，多数能量会转换为热量，随着LED照明灯具芯片密度和工作功率的增加，工作时产生的热量会随之增加，灯具的温度也会逐渐升高。研究表明，LED灯具失效有多种原因，如本体结构缺陷、磨损[2]以及荧光粉的缺陷[3]。目前，多数LED灯具失效的原因是由不良的散热结构引起的过高的工作温度。同时，LED照明灯具的使用寿命与工作温度成反比，当LED灯具的工作温度从60℃上升到70℃时，灯具的使用寿命会降低75%[4]。要想提升LED照明灯具的功率，必须加强其散热功能，需要通过设计合理的三维结构和散热器结构来降低LED灯具的结温[5]，从而在延长使用寿命的同时，降低灯具的使用成本。此外，通过有效的散热仿真可以在产品投入生产之前发现产品散热结构设计中的不合理之处。关于散热结构设计，Jang等[6]提出了径向针翅结构类型的散热器结构；Roody等[7]设计了梯形、矩形等不同形状的散热片；梁融等[8]优化现有的散热片，设计了开缝式结构散热片；郭凌曦等[9]利用数学建模软件研究了不同安装角度和截面形状对灯具散热的影响。矩形散热片作为灯具散热设计中最常用的散热片，具有结构简单、加工成本低的显著优点，因此文章选用矩形散热片作为散热器的主要结构。文章主要研究了新型LED防爆灯具的建模、散热，并通过实验验证了所设计的新型LED防爆灯具结构的合理性。
1新型LED防爆灯具的设计建模
1.1样机研制
基于LED灯具一体化、大功率的特点，立项研发新型LED防爆灯具，该LED灯具可用于石油、化工、电力、冶金、钢铁、船舶、大型工业场所和石油传输等具有特殊要求的防爆场所的照明。按照设计需求，针对新型LED灯具的安装方式，需要结合实际使用场所，采用吊装、立装、侧装等安装方式，如图1所示。根据防爆灯产品的分类及市场定位的规划要求，设计的防爆灯应能应用于可能存在氢气、二硫化碳的场所，提供防爆照明。防爆灯的功率为30～200W，温度组别在T4以上。得到的防爆灯样机实物图如图2所示。
1.2结构分解
该新型LED防爆灯具主要由光源、电源、透镜、壳体等组成。其中，光源选用COB系列；电源选用恒压恒流型号产品；透镜选用高硼硅材质；主体散热器和电源盒均采用压铸铝合金。其结构拆解图如图3所示，图3中各结构的名称和使用材料如表1所示。为了方便灯具的散热，在材料选择上多选择传热性能好的铝材料。在结构设计方面，该新型LED防爆灯具具有以下特点。（1）集成化设计。电源盒与灯具的结构融为一体，大大降低了灯具的体积，具有外观紧凑和重量轻的显著特点。（2）电源盒设计。不同于传统灯具的电源盒，该新型灯具的电源盒与灯具的结构集成一体。在设计中，除了考虑灯具工作时自身的散热，还要考虑电源的散热。因此，电源盒的材料拟选用与灯具结构件一样的材料。（3）功率设计。集成化设计大大增强了灯具本身的防水性能，同时极大地减少了散热器的体积，可以实现功率跨越调控，从而实现预期的大功率。
2流体散热仿真分析
流体散热分析流程如图4所示。为了提高热仿真效率，需要将三维模型进行简化，即去除安装孔位和螺钉紧固件。此外，需要抑制对LED灯具热仿真无影响的部件，使其不参与仿真计算。经过简化的LED灯具模型如图5所示。通过设置适当的初始条件，使仿真模型更符合LED灯具的实际工况，可以得到更加精确的温度测量值。为了提高热仿真的精确性，文章从单位设置、分析类型、热传导、辐射、默认材料和初始条件设置出发，创建了一个热分析项目，热分析项目的具体参数如表2所示。文章通过流体仿真软件，研究功率为80W的LED防爆灯的散热性能，环境温度设定为25℃，铝型材的有效导热系数为237W/（m·K），在自然对流条件下进行仿真模拟。热仿真分析结果如表3所示。在迭代35次时，灯具温度达到稳定状态，此时的温度云图如图6所示。此时，灯具的最高温度为82.78℃，最低温度为65℃，分别处于光源中心和散热器的边缘。粒子流动云图如图7所示，图7中三种曲线仅代表不同的粒子流，冷空气通过散热器底端经散热器向上流动，符合实际的散热情况。通过实测，新型灯具工作时的最高温度为84.25℃，与流体仿真软件预测的最高温度82.78℃存在一定的误差。这是因为仿真时材料和环境处于理想状态，与实际有偏差。鉴于误差在合理范围之内，该仿真方式具备正确性。
3结论
文章通过三维设计软件对新型LED防爆灯具产品进行结构设计与建模，通过流体仿真软件对LED灯具进行散热仿真，并将仿真结果与实际测试结果进行对照。对比散热仿真结果与实际测量的温度可知，仿真数据与实测温度数据虽存在一定误差，但误差在允许范围之内，光源表面温度远远低于其结温，验证了该仿真流程的正确性。文章提供了基于流体软件热仿真的LED灯具在额定环境温度下的峰值温度预测方法，可以作为LED灯具的散热设计的验证方法。
作者:晁俊杰 沈达 郁新新 牛绪儒 单位:中船重工716研究所连云港杰瑞电子有限公司研发部
