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摘要：LED灯以其节能、环保、高效等优良特性得到广泛利用，是满足人们视觉需求的绿色环保光源，是全球照明领域的一大亮点。但是目前在路灯领域，因散热问题，LED灯的推广受到了很大的限制，基于这一问题，该项目在散热器中引入轻质的烟囱结构，利用烟囱效应提高气体流速增加自然对流换热能力，此外，所设计的产品用翅片代替肋板，降低了LED路灯制作的成本和重量，就有较好的应用前景。
关键词：LED路灯散热 烟囱效应 自然对流
内容简介
1 研制背景及其意义
目前，现代化世界的经济发展得益于能源的广泛利用，但能源短缺和环境污染问题严重性日益突显，节能减排提上日程。近年来，LED灯以其节能、环保、高效等优良特性得到广泛利用，是满足人们视觉需求的绿色环保光源，是全球照明领域的一大亮点，为二十一世纪最有可能进入普通照明领域替代传统照明光源的新型半导体光源。
1.1 LED光源目前存在的问题：
无论是单点还是多点光源的LED路灯都存在着散热难的问题。一盏采用250W高压钠灯的路灯，由于技术比较成熟，散热控制很好，即使工作5000小时，光衰仍然较小，发光效率还可以达到70%。以目前的技术，相同条件下大功率LED路灯，由于散热问题不易解决，光衰较大，发光效率会下降到30%，如果想用加大电压电流的方法提高光效，很容易造成LED芯片损毁的现象。
因此，LED灯的散热问题是制约LED灯发展最主要的瓶颈。
1.2采用烟囱效应的合理性分析：
建筑物或型材的结构尺寸、布置方式，往往会形成一种自抽风现象，即“烟囱效应”。流体由于受热不同等原因，不同层面上的流体会存在密度差异，引起流体由高密度区向低密度区的流动。烟囱效应就是基于流道内部密度的差异而产生内外压差作用，结合流体的自身浮力作用共同决定流体的流动状况，由于热源的位置不同，两种作用此消彼长。
烟囱效应已广泛应用于高層建筑物火灾，高山及隧道领域。但将烟囱效应应用于LED路灯散热方面还是空前的。本文主要运用数值模拟的方法，研究简化模型的宽、高及热流密度变化引起的烟囱效应，制作轻质的烟囱，加快导热板的散热，以解决LED路灯的散热难题。
2 设计方案
2.1机械部分
LED灯新型封装技术主要有以下三个主体结构：
结构一：COB LED 与导热板
装置的第一部分是COB LED和导热板，热源COB LED附着在导热板上，导热板采用铜材质，利用铜优良的导热性能，将半导体热量快速传到导热板上。导热板最佳形状为矩形，其形状的确定是通过采用CFD仿真模拟计算得出的。
结构二：翅片
用翅片代替LED灯原有散热肋片，一方面降低LED灯具的重量，另一方面降低制作成本。翅片选用铝材质，在铝材料中，挤压铝具有热导率高，密度较小以及易于加工等优点，故翅片选择使用挤压铝材质。翅片的形状为薄的矩形板，矩形板尺寸由CFD软件模拟进行优化计算而确定。
结构三：辅助导流板
为了充分发挥烟囱效应的优势，进一步减轻散热器的重量，从而降低LED路灯的成本，不能简单的引入烟囱效应，因此，有必要在烟囱模型的基础上进行改进，设计带有特殊结构的强化散热装置，并采用了含有引流孔的翅片散热器设计方案。采用塑料材质以减轻散热器的重量。
2.2产品制作说明
散热器由LED、导热板、翅片以及辅助导流板组成。简化LED热源为二维正方形，置于导热板右表面；翅片为长方体，为增强散热器的防护强度，外围两翅片加厚，各个翅片并行排列，并垂直于导热板放置，同时，翅片的上、下表面均用铝材质封口，四块导流板分别放置在翅片的四个表面上，形成竖直的烟囱形状管道，从而将烟囱效应自然地引入到散热装置中。此外，通过在导流板的上下部分制作切口，可以形成不同形状的导流孔，通过计算与实践确定导流孔的形状与尺寸。
2.3理论设计与计算
1）引流孔形状的选择
定义散热器品质因数
Q=M×△T/P
说明：M为散热器的质量，△T为COB LED的温升（最高温度点温度与空气温度之差），P为COB LED的热功率。对于P恒定的COB LED，Q与其质量，COB LED的温升成正比，Q越小表明散热器的综合性能越好。
本文研究5种形状的引流孔对散热性能的影响，5种形状的引流孔都为对称的上下两个引流孔，且面积均相等。形状分别为三角形I型、三角形II型、矩形、梯形I型、梯形II型。
按上式计算，可知，矩形引流孔的散热器的Q值最小，且矩形引流孔散热器的COB LED的最高温度与其他四种相比最低，最能提高散热器的性能。
2）引流孔大小的优化
针对矩形引流孔，通过改变导热板的高度H可以改变引流孔的大小。当H从50mm增加到100mm时，COB LED的最高温度和散热器Q值随着H的增大而增大，因此引流孔越大越有利于提高散热器的综合性能。
通过计算可得，当H=70mm时，可获得Q值最小的散热器结构。
在此基础上，通过调整导热板底部导热板底部至翅片底部的距离H2的大小，可改变上下两个引流孔的比例。
3）引流孔分布优化
同理，通过计算分析可得，H2=15mm时，COB LED的最高温度以及品质因数Q有极小值，此时的散热器综合性能最好。
4）烟囱尺寸（高宽比）的确定
通过数值模拟的方法，设定高度，热流密度两个变量改变宽度值，在某高度下热源温度达到最低值时，对应的宽度为临界宽度值。
控制方程：
模型的连续性方程：
动量方程：
流体的体积膨胀系数：
能量方程：
式中：q为单位体积热源释放的热流率，单位为 ； 为由于黏性力作用的摩擦热速率，单位为 。
由计算分析可知，高50mm，宽19mm是热流密度为1000W/m2时的烟囱效应结构临界点，在此比例结构下，产生的烟囱效应最明显。
2.4工作原理及性能分析
1.引流孔尺寸增加，虽然有利于增强散热能力，但同时会导致散热器的导热热阻增加，所以设计引流孔的面积约占散热翅片横街面积的30%，且上下两引流孔应对称分布。
2.烟囱模型高、宽尺寸存在一个临界点，该临界点下热源的平均温度达到相应的最低值，以临界点时的高宽比为基准，若其他结构的高宽比小于基准时，会出现流体回流现象；若高于此基准，有两种情况，一种是宽度小于临界点的数值时，会增加流体流动阻力，减缓空气流动；另一种是高度大于临界点的高度时，流体内外压差不变，流体浮力增强，促进流体流动，强化烟囱效应。
综上所述，通过优化引流孔的形状、大小以及分布，得出了最优的散热器结构设计：总面积为30cm2 的矩形引流孔，上下大小相同。引流孔处的气流流速较快，说明引流孔可以引入更多空气至散热器中以达到增强散热的目的。
2.5创新点及其应用
1）将烟囱效应合理引入LED散热器中，不仅达到了预期的散热效果，还减轻了散热器的重量和成本。
2）烟囱设计成拐角形状，有效避免了雨雪天气烟囱桶内部积水的危险。
3）采用轻质翅片和导流板，有效降低LED路灯的重量，从而降低了路灯安装的一次费用，并提高了路灯的安全性能。
关键词：LED路灯散热 烟囱效应 自然对流
内容简介
1 研制背景及其意义
目前，现代化世界的经济发展得益于能源的广泛利用，但能源短缺和环境污染问题严重性日益突显，节能减排提上日程。近年来，LED灯以其节能、环保、高效等优良特性得到广泛利用，是满足人们视觉需求的绿色环保光源，是全球照明领域的一大亮点，为二十一世纪最有可能进入普通照明领域替代传统照明光源的新型半导体光源。
1.1 LED光源目前存在的问题：
无论是单点还是多点光源的LED路灯都存在着散热难的问题。一盏采用250W高压钠灯的路灯，由于技术比较成熟，散热控制很好，即使工作5000小时，光衰仍然较小，发光效率还可以达到70%。以目前的技术，相同条件下大功率LED路灯，由于散热问题不易解决，光衰较大，发光效率会下降到30%，如果想用加大电压电流的方法提高光效，很容易造成LED芯片损毁的现象。
因此，LED灯的散热问题是制约LED灯发展最主要的瓶颈。
1.2采用烟囱效应的合理性分析：
建筑物或型材的结构尺寸、布置方式，往往会形成一种自抽风现象，即“烟囱效应”。流体由于受热不同等原因，不同层面上的流体会存在密度差异，引起流体由高密度区向低密度区的流动。烟囱效应就是基于流道内部密度的差异而产生内外压差作用，结合流体的自身浮力作用共同决定流体的流动状况，由于热源的位置不同，两种作用此消彼长。
烟囱效应已广泛应用于高層建筑物火灾，高山及隧道领域。但将烟囱效应应用于LED路灯散热方面还是空前的。本文主要运用数值模拟的方法，研究简化模型的宽、高及热流密度变化引起的烟囱效应，制作轻质的烟囱，加快导热板的散热，以解决LED路灯的散热难题。
2 设计方案
2.1机械部分
LED灯新型封装技术主要有以下三个主体结构：
结构一：COB LED 与导热板
装置的第一部分是COB LED和导热板，热源COB LED附着在导热板上，导热板采用铜材质，利用铜优良的导热性能，将半导体热量快速传到导热板上。导热板最佳形状为矩形，其形状的确定是通过采用CFD仿真模拟计算得出的。
结构二：翅片
用翅片代替LED灯原有散热肋片，一方面降低LED灯具的重量，另一方面降低制作成本。翅片选用铝材质，在铝材料中，挤压铝具有热导率高，密度较小以及易于加工等优点，故翅片选择使用挤压铝材质。翅片的形状为薄的矩形板，矩形板尺寸由CFD软件模拟进行优化计算而确定。
结构三：辅助导流板
为了充分发挥烟囱效应的优势，进一步减轻散热器的重量，从而降低LED路灯的成本，不能简单的引入烟囱效应，因此，有必要在烟囱模型的基础上进行改进，设计带有特殊结构的强化散热装置，并采用了含有引流孔的翅片散热器设计方案。采用塑料材质以减轻散热器的重量。
2.2产品制作说明
散热器由LED、导热板、翅片以及辅助导流板组成。简化LED热源为二维正方形，置于导热板右表面；翅片为长方体，为增强散热器的防护强度，外围两翅片加厚，各个翅片并行排列，并垂直于导热板放置，同时，翅片的上、下表面均用铝材质封口，四块导流板分别放置在翅片的四个表面上，形成竖直的烟囱形状管道，从而将烟囱效应自然地引入到散热装置中。此外，通过在导流板的上下部分制作切口，可以形成不同形状的导流孔，通过计算与实践确定导流孔的形状与尺寸。
2.3理论设计与计算
1）引流孔形状的选择
定义散热器品质因数
Q=M×△T/P
说明：M为散热器的质量，△T为COB LED的温升（最高温度点温度与空气温度之差），P为COB LED的热功率。对于P恒定的COB LED，Q与其质量，COB LED的温升成正比，Q越小表明散热器的综合性能越好。
本文研究5种形状的引流孔对散热性能的影响，5种形状的引流孔都为对称的上下两个引流孔，且面积均相等。形状分别为三角形I型、三角形II型、矩形、梯形I型、梯形II型。
按上式计算，可知，矩形引流孔的散热器的Q值最小，且矩形引流孔散热器的COB LED的最高温度与其他四种相比最低，最能提高散热器的性能。
2）引流孔大小的优化
针对矩形引流孔，通过改变导热板的高度H可以改变引流孔的大小。当H从50mm增加到100mm时，COB LED的最高温度和散热器Q值随着H的增大而增大，因此引流孔越大越有利于提高散热器的综合性能。
通过计算可得，当H=70mm时，可获得Q值最小的散热器结构。
在此基础上，通过调整导热板底部导热板底部至翅片底部的距离H2的大小，可改变上下两个引流孔的比例。
3）引流孔分布优化
同理，通过计算分析可得，H2=15mm时，COB LED的最高温度以及品质因数Q有极小值，此时的散热器综合性能最好。
4）烟囱尺寸（高宽比）的确定
通过数值模拟的方法，设定高度，热流密度两个变量改变宽度值，在某高度下热源温度达到最低值时，对应的宽度为临界宽度值。
控制方程：
模型的连续性方程：
动量方程：
流体的体积膨胀系数：
能量方程：
式中：q为单位体积热源释放的热流率，单位为 ； 为由于黏性力作用的摩擦热速率，单位为 。
由计算分析可知，高50mm，宽19mm是热流密度为1000W/m2时的烟囱效应结构临界点，在此比例结构下，产生的烟囱效应最明显。
2.4工作原理及性能分析
1.引流孔尺寸增加，虽然有利于增强散热能力，但同时会导致散热器的导热热阻增加，所以设计引流孔的面积约占散热翅片横街面积的30%，且上下两引流孔应对称分布。
2.烟囱模型高、宽尺寸存在一个临界点，该临界点下热源的平均温度达到相应的最低值，以临界点时的高宽比为基准，若其他结构的高宽比小于基准时，会出现流体回流现象；若高于此基准，有两种情况，一种是宽度小于临界点的数值时，会增加流体流动阻力，减缓空气流动；另一种是高度大于临界点的高度时，流体内外压差不变，流体浮力增强，促进流体流动，强化烟囱效应。
综上所述，通过优化引流孔的形状、大小以及分布，得出了最优的散热器结构设计：总面积为30cm2 的矩形引流孔，上下大小相同。引流孔处的气流流速较快，说明引流孔可以引入更多空气至散热器中以达到增强散热的目的。
2.5创新点及其应用
1）将烟囱效应合理引入LED散热器中，不仅达到了预期的散热效果，还减轻了散热器的重量和成本。
2）烟囱设计成拐角形状，有效避免了雨雪天气烟囱桶内部积水的危险。
3）采用轻质翅片和导流板，有效降低LED路灯的重量，从而降低了路灯安装的一次费用，并提高了路灯的安全性能。