入轻质的烟囱结构，就可以引入烟囱效应，从而提高气体流速，增强散热器自然对流的热交换能力，同时烟囱效应结构，也能减轻散热器的重量。LED作为一种新型的照明技术，其应用前景举世瞩目，针对LED器件热设计，国内外的LED器件设计人员和制作商分别在结构，材料以及工艺等方面对LED热设计进行系统优化【5】，例如，在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂【6】，目前国内外广泛使用的大功率LED散热器产品：例如，型材散热器、风扇散热器，热管散热器、热柱散热器等产品及其技术特点与缺陷，其他新颖的强化散热技术【7】。
第二章、LED概述
（一）、LED发展面临的问题
由于目前LED技术的限制,输入的电功率只有约15-25%的电光转换效率,其余的输入电功率则都转换为了热量,与传统的光源不同,LED光源不包括红外部分,所以不能依靠红外辐射释放。热量集中在LED芯片上,芯片的面积一般在1mmX 1mm—2.15mmX2.15mm范围内,热流密度可以高达100W/cm2以上致使LED结温上升。LED发光的效率与其工作的温度成反比,结点温度每升高1crc,光衰就会减半,寿命也减半,同时也会导致芯片发射波长漂移,降低发光的效率【8】。LED芯片本身的散热的能力有限,集中LED芯片上的热量只能通过热传导的方式传递给外部的散热热沉,再通过热沉的辖射传热、对流传热方式将热量传递到周围的环境空气中,使得LED芯片维持在一个较低的水平,保证其能稳定可靠的工作。目前大功率LED照明的热量管理问题是LED商业化的一个重要障碍,因此,如何高效的将LED的芯片产生的热量转移到环境空气中,成为制约LED广泛应用于普通照明的关键技术瓶颈之一．目前制约LED推广应用的另外一个重要因素就是LED价格。与传统的替通照明相比,LED照明价格要比普通照明价格要高4-8倍。例如,一套高压钠灯灯具的价格为1200-1500元,而目前的LED灯具,按照功率大小不同价格相差加大,价格约在4000-8000元。按照LED节能30%计算,如果要回收灯具的成本,也需要若干年的时间。又如要生产1000lm的光通量,白识灯的成本小于5元,紧凑型突光灯的成本小于10元,而对于LED照明来说,需要使用10颗大功率LED,成本超出了 100元，马来西亚槟州政府曾在2010年因为LED照明费用过高,而将LED路灯计划往后搁置。因此,LED照明过高的成本投入,也成为了 LED广泛应用的一个技术瓶颈。
（二）、LED芯片温升的原因
LED芯片的基本结构是一个半导体PN结。实验证明当LED芯片有电流流过的情况下,LED的PN结温度将会上升,其主要原因是由于加载在LED芯片的功率没有全部转化为光能,其中约80-90%电能转换为热量,从而导致了 LED芯片结温上升【9】。具体的原因包括以下四个方面:
量子效率低:由LED的发光原理知道,LED的PN结在外部电压条件下,N区的电子流向P区,电子与空穴复合产生光子。在正常的情况下,由于PN结不可能极端完美,组件的注入效率不能达到100%,通常称为“电流泄露”,造成PN区的载流子的复合效率降低。泄露电流与电压的乘积就是LED芯片转为热量的功率。目前利用先进的外延技术生产In-Gan合金的LED芯片,其内量子效率可以达到90-100%。【10】实验研究发现:LED灯的发光效率随功率的增加而下降主要是由于芯片的温度升高及电流泄露而造成;LED结温上升,增加了 PN结载流子非辐射复合几率,因此辐射复合几率下降,所以随着功率增加,LED的发光效率下降。
出光效率低:实践证明LED的出光效率低是造成LED芯片温度上升的主要原因。目前LED
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的外量子效率一般只有30%左右,由于LED芯片材料的折射系数比周围的介质的大得多,PN结福射复合产生的光子大部分无法顺利溢出,在PN结内部经过多次反射后被衬底材料或者芯片材料吸收,最后都转换为热量,促使结温升高。
不良元件电极结构由于元件材料如:衬底材料、PN结半导体材料以及导电银胶材料等都具有电阻,当LED在工作的状态下,电流流过这些元件材料时就会产生一定的焦耳热,热量的大小可以用焦耳定律进行计算,与电流值的平方、串联电阻值以及时间成正比,产生的热量引起了 LED芯片的结点温度上升。
LED元件的散热能力:LED元件的散热能力强,结点的温度可以控制在较低的水平,如果散热能力差,结点的温度则可能超过正常的工作温度要求。由于环氧树脂的导热系数较小,LED芯片的产生的热量很难通过透明的环氧树脂传递到周围空气中,因此热量传递的途径是通过衬底材料、银架材料、管壳、环氧粘合层、PCB板与热衬底材料向散热器方向传递,最后通过散热器的表面将热量散发到环境空气中。所以热量传递过程中各环节材料的导热系数、散热器与环境换热能力都对LED结温有影响【11】。
（三）、温度对LED芯片性能的影响
如前面所述,LED照明输入的电功率只有约10-15%转换为光,其余则转换为热能。一般地,LED芯片产生的热量需要通过外部散热器散发到环境空气中,如果产生的热量无法顺利转移将会导致以下几个问题【12】:
光通量下降：实验研究表明:LED结温的上升对蓝色光、黄色光、绿光的LED光输出强度均有明显的影响。金尚忠等利用实验研究了白光LED照明光源显色指数、发光效率、色坐标、色温和与驱动电流等因素与温度的关系,实验结果表明结点温度升髙,LED的发光效率明显下降,其原因是由于温度上升,光波中的蓝波波峰长移,焚光粉波峰变平坦而劣化导致。
器件性能衰变：在高温度的条件下,LED照明光输出特性可能会导致一种永久性的不可恢复的变化。表1是大功率LED的结温与亮度衰减至70%时的寿命关系。髙温下LED性能不可恢复的衰变的原因主要有两个方面:一是高温条件下,材料内部发光区晶体的缺陷增殖、繁衍,非辖射复合中心数量增加,导致器件的注入效率和发光效率严重降低;另一方面是杂质在发光区扩散,形成的深能级数量增加,从而导致器件的性能衰变。其次,在高温下,环氧树脂材料发生变性的膨胀与收缩,在芯片电路板与引线之间产生额外的压力,造成LED芯片过度疲劳甚至是脱落,影响LED的工作性能与稳定性。
LED发光波长变化：LED照明发出的光波长一般可以分为两类,即主波长和峰值波长。主波长反映的是人所感知的颜色,而峰值波长则是光强最大的波长。因此LED芯片结温上升导致的LED光源发出的光波长发生变化,直接影响了人们对光的感受。研究表明,白色光LED器件,在结点温度上升的情况下,主波长向长波方向移动,统计数据显示,LED器件的波长在结点温度为10℃时将发生红移4-9min,最终导致光的输出通量减少,焚光粉的吸收效率下降。
结温Ti/ C 25 30 35 40 45 50 55
寿命/h 234000 191000 157000 129000 107000 90000 75000 7
结温Ti/ C 85 90 95 100 105 110 115 寿命/h 29500 25700 22300 19500 17100 15100 13300
60 65 70 75 80 64000 54000 46000 39000 34000 120 125 130 130 150 11700 10500 9300 7500 6000 表1大功率LED的结温与亮度衰减至70%时的寿命关系 正向电压发生变化：LED的正向电压作为判断LED性能的一个重要参数,其数值主要取决于器件的成结合电极制作工艺、芯片的尺寸和半导体材料的特性。正向电压随着结点温度的升高而下降,在较低的结点温度下,这种变化是可逆的,但是芯片结点的温度过高时,在PN结结区晶体缺陷繁殖,杂质扩散加剧,增加了额外的复合电流,最终造成正向电压下降,在恒定电压的情况下,结点温升效应与电流增加之间会形成的恶性循环,最终导致LED器件的损坏。 （四）、LED散热研究进展
LED是一种注入式电致发光半导体器件,在外部电压输入的条件下,N区的电子流向P区,电子与空穴发生复合产生光子,产生的光谱中不含有红外光,因此LED芯
片结区产生的热量不能依靠产生的光辐射带走,故将LED称为冷光源。在外部电压作用的条件下,只有约15-20%的输入电功率转化为可见光,其余的输入功率则转为热量。为了保证LED照明器件使用寿命与正常工作,通常要求将LED的PN结的温度控制12℃以下。如前面所述,如果结点温度过高将会导致光通量下降,波长发生红移,器件的寿命减少等问题。目前随着LED技术的发展,单片芯片的功率由原来的0.1W增加到了1W甚至几瓦、几十瓦,相应的热流密度也大大增加,因此也销加了 LED照明热设计的难度,使得LED散热设计成为了制约LED照明推广应用的一个技术瓶颈之一，也是国内外一直关注与研究的热点课题之一。
人类对传热的研究已有上百年的历史，传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计算机中的CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。而是另起炉灶，创造出不少新名词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”等听起来不知是什么意思，英文“Sink”在传热学及技术中也是非常罕见的名词【13】。
从传热学和技术来谈，LED散热并非复杂，只涉及到传热学中非常小的部分：导热传热和对流传热（主要是空气自然对流传热），其中导热传热就可利用现成的传热计算机软件，得到非常准确的解，比如分析LED封装芯片内的温度分布（传热过程）；分析从LED芯片到散热肋片的内部温度分布。但是应特别注意，对于对流传热，凡涉及到空气流动，必须通过大量的实验研究，而用电脑软件计算，只有学术上的意义，没有实际工程意义，因为误差太大。导致LED散热简单问题被复杂化的原因有：知识断层，拥有成熟的传热知识的人员参于到LED散热研究的甚少，缺乏专业的LED散热研究机构，给行业内明确正确的指导思想。目前行业内从业的专业散热技术人员，许多是从计算机散热方面转过来的，自然地将那方面常用的技术以及商业行为带过来，比如，热管技术，被大量应用到大功率LED照明灯（比如路灯）中，给那些原来为计算机芯片散热器服务的热管厂商创造了新的商机。甚至还有提出采用回流式热管。
自然对流散热原理及优化：散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动（对流）将热量带走，散热片的辐射传热所占的分量非常低，因而不于考虑。自然对流传热过程中，驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力，降低流动阻力系数，能有效降低流动阻力。当散热片的肋片，上下竖立设置，空气由下向上直接穿过散热片时，低温空气直接进入散热肋片有利于对流传热，空气的流动方向与浮力方向一致，阻力最小。
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针对LED 存在的热问题，国内外的研究者和制造者在结构、材料及制造工艺等方面对 LED 的散热系统进行了设计和优化。他们解决方案的思路可以分为两方面：一方面是从减少 LED 热量产生的来源出发，通过提高器件内量子效率进而提高 LED 的出光效率，减少电能转化为热能，进而解决 LED 散热问题；另一方面是通过对 LED 器件及灯具的散热设计，在封装材料或者封装方式上做出改变，达到减小封装热阻的目的，并且通过配置合适的散热器解决散热问题【14】。不过由于技术的原因，第一种思路在理论上可以实现，现实研究和商业应用中主要以第二种思路为主。合理的散热设计，是解决目前 LED 散热问题的主导思路，这种设计一般分为封装级散热和灯具级散热。
（五）、烟囱效应
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”。对于高层建筑，内部楼梯、电梯，空调通风流道等部位，烟囱效应较强烈，这是火灾发生时难以控制和扑灭的主要原因之一【15】。烟囱效应不仅存在于高层建筑物中，只要结构设计合理都会具有该效应，这一点作用在自然对流散热的电子元件肋片式散热器上，会较大程度提高散热器的传热系数，改善散热性能。
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流向低密度区的流动。烟囱效应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【16】。
目前烟囱效应的研究，主要集中在高层建筑物火灾、高山及隧道领域。但将烟囱效应应用于小型散热器上的研究目前比较少，本文主要是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，并分析和研究达到最佳烟囱效应时模型的宽、高及热流密度的变化关系，以此来指导自然对流散热器的结构设计。
第三章、LED灯具的设计
（一）、Solid-works的介绍
Solid-works是一款基于3D设计，并对设计进行仿真模拟的主流CAD软件，Solid-works可提供的不同设计方案，减少设计过程中的错误，对不合实际情况的进行纠正，以及提高产品质量，在此基础之上，还可以插入各类插件，例如flow simulation（流体模拟分析），simulation（模拟分析）等，Solid-works 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
（二）、基于Solid-works的灯具设计
利用Solid-works 对LED灯具进行设计是本次研究的开始。
首先，打开Solid-works软件，新建一个3D项目，然后绘制草图，上口径设置为半径40mm，下部半径为50mm，用样条曲线将上下面连接，再用利用旋转凸台功能做出LED的大致模型。
然后，对LED模型进行抽壳处理，抽壳厚度设置为5mm，使得LED模型具有薄壁，用于后面的仿真。
接着，在LED底部做出将要赋予LED芯片的模型，利用旋转整列轴对称为6个圆形凸出面。如下图所示：
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图1 LED灯具的初步模型正视图
图2 LED灯具初步模型下视图
图3 LED灯具初步模型上视图
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