【正文】 塊 flow simulation 對 LED燈具進(jìn)行仿真，從 LED溫度剖面圖獲得溫度參數(shù)，及溫度的變化情況，再將 LED燈具再設(shè)計，模擬出煙囪效應(yīng)需要的模型，再次熱學(xué)仿真，獲得溫度參數(shù)，最后對比兩次溫度測試結(jié)果，得出結(jié)論。 20xx年中國的石油消耗量為 20xx年天然氣消耗量為 1114億立方米 ,因此節(jié)能減排作為一個重要政策一直受 到國家的重視。 20xx年 10月中國通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》 ,進(jìn)一步完善了我國節(jié)能制度，電力資源是二次能源 ,主要依靠水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、火力發(fā)電等方式獲得 ,其中火力發(fā)電占所有電力資源的 75%,因此減少電能的消耗 ,是節(jié)約能源和減少污染的重要途徑。而照明用電約占電力資源的 12%,折合人民幣為 5030. 76 億元 ,所以照 明的節(jié)能是電力行業(yè)節(jié)能的一個重要環(huán)節(jié)。目前世界上約 %的 GDP用于光照明。日本在1997年對白光 LED進(jìn)行進(jìn)一步的研究 ,并期待在不久的將來將 LED固態(tài)光源替代現(xiàn)有的白織燈和炎光燈。日本將太陽能燈應(yīng)用于街道照明 ,50W 的 LED燈可以提供原有 200W 未燈的光亮度 ,每蓋燈每年可以減少 噸的二氧化碳排放量。隨著 LED 研究發(fā)展 ,LED 在我國隧道照明、煙草行業(yè)、街道照明、室內(nèi)照明燈各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展 ,我國的公路交通建設(shè)也得到了高速的發(fā)展 ,全國新建的公路險道逐年增加。隨著公路的建設(shè)發(fā)展 ,我國每年公路照明投入的費用也不斷增加 ,特別是隨道照明用電量大 ,所需要的費用龐大。目前我國的險道照明主要釆用傳統(tǒng)的高壓鈉燈照明 ,耗電量大 ,嚴(yán)重浪費資源 ,同時也造成了環(huán)境的污染。由此可見利用 LED最為未來的照明工具 ,在公路照明中具有巨大的潛力。 LED 為冷光源，怕熱，有 80％之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達(dá) 200lm的報導(dǎo)，但 LED散熱卻是 LED照明中的大問題，但又還沒得到有效解決的問題，成了 LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎，在自然對流散熱器中，可以增加散熱表面積和提高氣體流速來增強自然對流熱交換，在散熱器中，引 6 入輕質(zhì)的煙囪結(jié)構(gòu)，就可以引入煙囪效應(yīng)，從而提高氣體流速，增強散熱器自然對流的熱交換能力，同時煙囪效應(yīng)結(jié)構(gòu)，也能減輕散熱器的重量。 第二章、 LED 概述 （一）、 LED發(fā)展面臨的問題 由 于目前 LED 技術(shù)的限制 ,輸入的電功率只有約 1525%的電光轉(zhuǎn)換效率 ,其余的輸入電功率則都轉(zhuǎn)換為了熱量 ,與傳統(tǒng)的光源不同 ,LED 光源不包括紅外部分 ,所以不能依靠紅外輻射釋放。 LED發(fā)光的效率與其工作的溫度成反比 ,結(jié)點溫度每升高 1crc,光衰就會減半 ,壽命也減半 ,同時也會導(dǎo)致芯片發(fā)射波長漂移 ,降低發(fā)光的效率【 8】。目前大功率 LED照明的熱量管理問題是 LED商業(yè)化的一個重要障礙 ,因此 ,如何高效的將 LED的芯片產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中 ,成為制約 LED廣泛應(yīng)用于普通照明的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一．目前制約 LED推廣應(yīng)用的另外一個重要因素就是 LED 價格。例如 ,一套高壓鈉燈燈具的價格為 12001500元 ,而目前的 LED燈具 ,按照功率大小不同價格相差加大 ,價格約在 40008000元。又如要生產(chǎn) 1000lm的光通量 ,白識燈的成本小于 5元 ,緊湊型突光燈的成本小于 10 元 ,而對于 LED 照明來說 ,需要使用 10顆大功率 LED,成本超出了 100元，馬來西亞檳州政府曾在 20xx年因為 LED照明費用過高 ,而將 LED路燈計劃往后擱置。 （二）、 LED芯片溫升的原因 LED 芯片的 基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體 PN 結(jié)。具體的原因包括以下四個方面 : 量子效率低 :由 LED的發(fā)光原理知道 ,LED的 PN結(jié)在外部電壓條件下 ,N 區(qū)的電子流向 P區(qū) ,電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。泄露電流與電壓的乘積就是 LED 芯片轉(zhuǎn)為熱量的功率?！?10】實驗研究發(fā)現(xiàn) :LED燈的發(fā)光效率隨功率的增加而下降主要是由于芯片的溫度升高及電流泄露而造成 。 出光效率低 :實踐證明 LED的出光效率低是造成 LED芯片溫度上升的主要原因。 不良元件電極結(jié)構(gòu)由于元件材料如 :襯底材料、 PN結(jié)半導(dǎo)體材料以及導(dǎo)電銀膠材料等都具有電阻 ,當(dāng) LED 在工作的狀態(tài)下 ,電流流過這些元件材料時就會產(chǎn)生一定的焦耳熱 ,熱量的大小可以用焦耳定律進(jìn)行計算 ,與電流值的平方、串聯(lián)電阻值以及時間成正比 ,產(chǎn)生的熱量引起了 LED芯片的結(jié)點溫度上升。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)較小 ,LED 芯片的產(chǎn)生的熱量很難通過透明的環(huán)氧樹脂傳遞到周圍空氣中 ,因此熱量傳遞的途徑是通過襯底材料、銀架材料、管殼、環(huán)氧粘合層、 PCB板與熱襯底材料向散熱器方向傳遞 ,最后通過散熱器的表面將熱量散發(fā)到環(huán)境空氣中。 （三）、溫度對 LED芯片性能的影響 如前面所述 ,LED 照明輸入的電功率只有約 1015%轉(zhuǎn)換為光 ,其余則轉(zhuǎn)換為熱能。金尚忠等利用實驗研究了白光 LED照明光源顯色指數(shù)、發(fā)光效率、色坐標(biāo)、色溫和與驅(qū)動電流等因素與溫度的關(guān)系 ,實驗結(jié)果表明結(jié)點溫度升髙 ,LED的發(fā)光效率明顯下降 ,其原因是由于溫度上升 ,光波中的藍(lán)波波峰長移 ,焚光粉波峰變平坦而劣化導(dǎo)致。表 1是大 功率 LED的結(jié)溫與亮度衰減至 70%時的壽命關(guān)系。另一方面是雜質(zhì)在發(fā)光區(qū)擴散 ,形成的深能級數(shù)量增加 ,從而導(dǎo)致器件的性能衰變。 LED發(fā)光波長變化： LED照明發(fā)出的光波長一般可以分為兩類 ,即主波長和 峰值波長。因此 LED 芯片結(jié)溫上升導(dǎo)致的 LED 光源發(fā)出的光波長發(fā)生變化 ,直接影響了人們對光的感受。 結(jié)溫 Ti/ C 壽命 /h 結(jié)溫 Ti/ C 壽命 /h 25 234000 85 29500 30 191000 90 25700 35 157000 95 22300 40 129000 100 19500 45 107000 105 17100 50 90000 110 15100 8 55 75000 115 13300 60 64000 120 11700 65 54000 125 10500 70 46000 130 9300 75 39000 130 7500 80 34000 150 6000 表 1大功率 LED的結(jié)溫與亮度衰減至 70%時的壽命關(guān)系 正向電壓發(fā)生變化： LED 的正向電壓作為判斷 LED 性能的一個重要參數(shù) ,其數(shù)值主要取決于器件的成結(jié)合電極制作工藝、芯片的尺寸和半導(dǎo)體材料的特性。 （四）、 LED散熱研究進(jìn)展 LED是一種注入式電致發(fā)光半導(dǎo)體器件 ,在外部電壓輸入的條件下 ,N區(qū)的 電子流向 P區(qū) ,電子與空穴發(fā)生復(fù)合產(chǎn)生光子 ,產(chǎn)生的光譜中不含有紅外光 ,因此 LED芯 片結(jié)區(qū)產(chǎn)生的熱量不能依靠產(chǎn)生的光輻射帶走 ,故將 LED 稱為冷光源。為了保證 LED照明器件使用壽命與正常工作 ,通常要求將 LED 的 PN 結(jié)的溫度控制 12℃ 以下。目前隨著 LED技術(shù)的發(fā)展 ,單片芯片的功率由原來的 1W甚至幾瓦、幾十瓦 ,相應(yīng)的熱流密度 也大大增加 ,因此也銷加了 LED 照明熱設(shè)計的難度 ,使得 LED 散熱設(shè)計成為了制約 LED照明推廣應(yīng)用的一個技術(shù)瓶頸之一，也是國內(nèi)外一直關(guān)注與研究的熱點課題之一。而是另起爐灶，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動散熱”、“被動散熱”、“熱沉”等聽起來不知是什么意思， 英文“ Sink”在傳熱學(xué)及技術(shù)中也是非常罕見的名詞【 13】。但是應(yīng)特別注意，對于對流傳熱，凡涉及到空氣流動，必須通過大量的實驗研究，而用電腦軟件計算，只有學(xué)術(shù)上的意義，沒有實際工程意義，因為誤差太大。目前行業(yè)內(nèi)從業(yè)的專業(yè)散熱技術(shù)人員，許多是從計算機散熱方面轉(zhuǎn)過來的，自然地將那方面常用的技術(shù)以及商業(yè)行為帶過來，比如，熱管技術(shù)，被大量應(yīng)用到大功率 LED照明燈（比如路燈）中，給那些原來為計算機芯片散熱器服務(wù)的熱管廠商創(chuàng)造了新的商機。 自然對流散熱原理及優(yōu)化：散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動（對流）將熱量帶走，散熱片的輻射傳熱所占的分量非常低，因而不