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摘要：LED燈具的可靠性主要依賴于燈具的散熱性能，但目前燈具的散熱設計多依賴于人工經驗，沒有較好的方法來評估燈具工作時的峰值溫度。文章在設計一款新型大功率led燈具基礎上，采用流體仿真軟件對模型進行散熱分析，得到燈具不同部件處的溫度云圖和監測點處的溫度仿真數值，為燈具結構的散熱設計提供了一種新的評估方式。

關鍵詞：LED防爆燈具；燈具散熱設計；熱仿真；散熱結構設計；散熱器

0引言

隨著基于半導體技術的發光二極管（LED）的迅速發展，LED照明燈具的發光照明效率穩步提升。與傳統照明燈具相比，LED燈具的節能、發光效率更高，壽命更長，LED照明燈具已經被廣泛用于汽車、道路、車間、航天和城市亮化領域。然而，即使被稱為第四代照明技術的代表，LED燈具的光電轉換效率也只有20%～40%[1]。LED燈具工作時，多數能量會轉換為熱量，隨著LED照明燈具芯片密度和工作功率的增加，工作時產生的熱量會隨之增加，燈具的溫度也會逐漸升高。研究表明，LED燈具失效有多種原因，如本體結構缺陷、磨損[2]以及熒光粉的缺陷[3]。目前，多數LED燈具失效的原因是由不良的散熱結構引起的過高的工作溫度。同時，LED照明燈具的使用壽命與工作溫度成反比，當LED燈具的工作溫度從60℃上升到70℃時，燈具的使用壽命會降低75%[4]。要想提升LED照明燈具的功率，必須加強其散熱功能，需要通過設計合理的三維結構和散熱器結構來降低LED燈具的結溫[5]，從而在延長使用壽命的同時，降低燈具的使用成本。此外，通過有效的散熱仿真可以在產品投入生產之前發現產品散熱結構設計中的不合理之處。關于散熱結構設計，Jang等[6]提出了徑向針翅結構類型的散熱器結構；Roody等[7]設計了梯形、矩形等不同形狀的散熱片；梁融等[8]優化現有的散熱片，設計了開縫式結構散熱片；郭凌曦等[9]利用數學建模軟件研究了不同安裝角度和截面形狀對燈具散熱的影響。矩形散熱片作為燈具散熱設計中最常用的散熱片，具有結構簡單、加工成本低的顯著優點，因此文章選用矩形散熱片作為散熱器的主要結構。文章主要研究了新型LED防爆燈具的建模、散熱，并通過實驗驗證了所設計的新型LED防爆燈具結構的合理性。

1新型LED防爆燈具的設計建模

1.1樣機研制

基于LED燈具一體化、大功率的特點，立項研發新型LED防爆燈具，該LED燈具可用于石油、化工、電力、冶金、鋼鐵、船舶、大型工業場所和石油傳輸等具有特殊要求的防爆場所的照明。按照設計需求，針對新型LED燈具的安裝方式，需要結合實際使用場所，采用吊裝、立裝、側裝等安裝方式，如圖1所示。根據防爆燈產品的分類及市場定位的規劃要求，設計的防爆燈應能應用于可能存在氫氣、二硫化碳的場所，提供防爆照明。防爆燈的功率為30～200W，溫度組別在T4以上。得到的防爆燈樣機實物圖如圖2所示。

1.2結構分解

該新型LED防爆燈具主要由光源、電源、透鏡、殼體等組成。其中，光源選用COB系列；電源選用恒壓恒流型號產品；透鏡選用高硼硅材質；主體散熱器和電源盒均采用壓鑄鋁合金。其結構拆解圖如圖3所示，圖3中各結構的名稱和使用材料如表1所示。為了方便燈具的散熱，在材料選擇上多選擇傳熱性能好的鋁材料。在結構設計方面，該新型LED防爆燈具具有以下特點。（1）集成化設計。電源盒與燈具的結構融為一體，大大降低了燈具的體積，具有外觀緊湊和重量輕的顯著特點。（2）電源盒設計。不同于傳統燈具的電源盒，該新型燈具的電源盒與燈具的結構集成一體。在設計中，除了考慮燈具工作時自身的散熱，還要考慮電源的散熱。因此，電源盒的材料擬選用與燈具結構件一樣的材料。（3）功率設計。集成化設計大大增強了燈具本身的防水性能，同時極大地減少了散熱器的體積，可以實現功率跨越調控，從而實現預期的大功率。

2流體散熱仿真分析

流體散熱分析流程如圖4所示。為了提高熱仿真效率，需要將三維模型進行簡化，即去除安裝孔位和螺釘緊固件。此外，需要抑制對LED燈具熱仿真無影響的部件，使其不參與仿真計算。經過簡化的LED燈具模型如圖5所示。通過設置適當的初始條件，使仿真模型更符合LED燈具的實際工況，可以得到更加精確的溫度測量值。為了提高熱仿真的精確性，文章從單位設置、分析類型、熱傳導、輻射、默認材料和初始條件設置出發，創建了一個熱分析項目，熱分析項目的具體參數如表2所示。文章通過流體仿真軟件，研究功率為80W的LED防爆燈的散熱性能，環境溫度設定為25℃，鋁型材的有效導熱系數為237W/（m·K），在自然對流條件下進行仿真模擬。熱仿真分析結果如表3所示。在迭代35次時，燈具溫度達到穩定狀態，此時的溫度云圖如圖6所示。此時，燈具的最高溫度為82.78℃，最低溫度為65℃，分別處于光源中心和散熱器的邊緣。粒子流動云圖如圖7所示，圖7中三種曲線僅代表不同的粒子流，冷空氣通過散熱器底端經散熱器向上流動，符合實際的散熱情況。通過實測，新型燈具工作時的最高溫度為84.25℃，與流體仿真軟件預測的最高溫度82.78℃存在一定的誤差。這是因為仿真時材料和環境處于理想狀態，與實際有偏差。鑒于誤差在合理范圍之內，該仿真方式具備正確性。

3結論

文章通過三維設計軟件對新型LED防爆燈具產品進行結構設計與建模，通過流體仿真軟件對LED燈具進行散熱仿真，并將仿真結果與實際測試結果進行對照。對比散熱仿真結果與實際測量的溫度可知，仿真數據與實測溫度數據雖存在一定誤差，但誤差在允許范圍之內，光源表面溫度遠遠低于其結溫，驗證了該仿真流程的正確性。文章提供了基于流體軟件熱仿真的LED燈具在額定環境溫度下的峰值溫度預測方法，可以作為LED燈具的散熱設計的驗證方法。

作者:晁俊杰 沈達 郁新新 牛緒儒 單位:中船重工716研究所連云港杰瑞電子有限公司研發部