LED散熱器散熱特性分析及結構優化

梁 融，聶宇宏，聶德云，姚壽廣

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003)

1 引言

隨著大功率發光二極管(LED)越來越廣泛的應用,其相比于傳統照明光源的優勢已經受到廣泛認可。但在LED的發光過程中，是靠PN結中的電子發生躍遷產生光能，在其發光光譜中不含紅外部分，故其產生的熱量不能靠輻射散發。目前，LED只有20%左右的電能轉化為光能[1，2]，其余的能量都轉化為了熱能。而LED的工作壽命和其芯片溫度關系密切。因此如何快速高效的帶走芯片發出的熱量，是LED燈具設計的關鍵技術之一[3]。現階段國內外諸多學者對LED的散熱結構進行了數值模擬和實驗研究[4]，劉雁潮和劉靜等人分別利用Icepak軟件對大功率LED路燈進行建模仿真,研究了肋間距，肋厚度，換熱面積等結構的優化。

本文以強化LED散熱器的散熱效率為目標，對家用LED燈具散熱器的自然對流冷卻過程進行了研究。采用CFD軟件對散熱器在自然對流的大空間內的換熱過程進行了耦合數值傳熱計算。根據計算結果，提出了LED散熱器的結構優化方案。

2 散熱器模型幾何尺寸及計算模型

2.1 散熱器模型幾何尺寸

現有是家用LED燈具散熱器的結構如圖1所示，具體參數列于表1。

圖1 現有LED散熱器結構Fig.1 LED radiator

表1 散熱器尺寸Table 1 Radiator size

2.2 計算模型及邊界條件

計算域由散熱器本身和其周圍的空氣域組成,分別定義散熱器為固體域,周圍空氣為流體域。為了保證散熱器在自然對流的模擬中的準確性，空氣流動計算域必須取的足夠大[5]，這樣大空間的邊界條件就能取為壓力入口邊界條件。數值模擬時可以近似把問題看成三維，穩態，常物性，有內熱源的導熱和對流熱耦合問題[6，7]。由于是模擬自然對流，考慮溫差而引起的浮升力作用，所以在計算中引入了Boussinesq假設[8]。

針對物理模型，列主要控制方程如下：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

邊界條件取為：大空間為壓力進口，散熱器基板底面根據不同功率給定熱流邊界，而肋片與空氣接觸的計算面，為自然對流換熱耦合計算面，在固體邊界上 對速度取無滑移邊界條件(no-slip boundary condition)，即在固體邊界上流體的速度等于固體表面的速度。

3 散熱器散熱特性計算結果及分析

圖2為圖1所示的燈具在功率為5W時，計算得到的散熱器表面的溫度分布。為方便分析，表2列出了不同功率下，原型散熱器的基板溫度、傳熱系數和熱阻。

圖2 原型散熱功率5W時溫度分布Fig.2 Temperature distribution when the power is 5W

散熱器的整個散熱過程是其本身的導熱和肋片與空氣間對流換熱的耦合過程，由于LED家用燈具的功率一般在5W～15W左右，所以肋片表面溫度一般不會超過100℃，故輻射傳熱可以忽略[9]。而就對流和固體導熱而言，對流換熱熱阻更大，對溫度的影響更顯著，而對流換熱阻與表面傳熱系數成反比，所以，可以通過分析表面傳熱系數，來分析基板的最高溫度[10]，衡量散熱器的效率。從計算結果可以看出,現有散熱器的散熱能力不強，在10W的功率下基板溫度已達到了334K，這主要是由于單個肋片的長度較長，空氣進入肋片后，形成的熱邊界層阻礙了熱量傳遞。為了在不增加產品的生產成本，不額外增加物理化學手段的前提下，強化散熱器的散熱能力，對散熱器的結構進行優化。為了減小熱邊界層的厚度，在原有的肋片形式上，采用開縫的方法，使連續的肋片變成斷開型的，從而達到減薄邊界層的目的。

表2 散熱器模擬結果Table 2 Simulation result of radiator

4 結構優化后散熱特性分析及計算

根據以上的分析，對現有LED散熱器結構進行優化設計，方案結構圖如圖3所示，具體尺寸列于表3。

圖3 優化后的設計方案結構圖Fig.3 Design scheme after optimization

表3 優化后的散熱器尺寸Table 3 Radiator size after optimization

針對優化后的散熱器結構，分別在功率分別為5W，7W，10W的情況下，進行了數值模擬研究，溫度的計算結果如圖4和圖5所示。

圖4 方案一功率為5W時溫度分布Fig.4 Scheme 1:temperature distribution

圖5 方案二功率為5W時溫度分布Fig.5 Scheme 2:temperature distribution

從圖2、圖4和圖5 的對比中可以看出，在5W的情況下，不同的散熱器結構對基板最高溫度有較大的影響。為便于分析，圖6給出了三種結構形式基板最高溫度隨功率的變化圖。

圖6 三種散熱器基板最高溫度隨功率變化圖Fig.6 The highest temperature variation with power

從圖6中可以看到，優化后方案一的基板溫度最低。圖7為三種散熱器表面傳熱系數隨功率變化圖。

圖7 三種散熱器表面傳熱系數隨功率變化圖Fig.7 Heat transfer coefficient variation with power

從圖7中可以看出，對于同一種形式的散熱器，表面傳熱系數基本不隨功率的變化而變。這是因為，隨著功率的提高，對流換熱量Q提高的同時，散熱器表面平均溫度T也提高，從而使得其與周圍冷卻介質的溫差ΔT提高。所以根據h=Q/AΔT，兩者共同作用，使得表面傳熱系數無明顯變化。 而方案一的表面傳熱系數與現有換熱器相比，提高了30%。

從圖6、圖7中還可以看到，對于不同散熱器的結構形式，基板溫度都隨著功率增加而增加，而表面傳熱系數基本不變，這是符合實際情況的。優化后的方案一在各功率下散熱情況都是最優的，其表面傳熱系數與現有的散熱器相比提高了30%，使得傳熱熱阻變小，從而基板溫度最低，這在散熱器的實際收益中是顯而易見的。所以對于本文研究的散熱器進行開縫形式的模型優化是可取的。但優化后的方案二的傳熱系數增加很小，但熱阻卻變大，基板最高溫度也比現有的散熱器高。這是因為，開縫導致有效的散熱面積減小，(h1A1)>(h3A3),導致R3>R1。所以在追求h變大的同時，也要考慮A的減小帶來的影響，故存在最佳開縫面積，從而使得(hA)最大，達到最佳的改進方案。

5 結論

(1)自然對流條件下，散熱器表面傳熱系數與其結構有關，且不隨功率增減而變化。

(2)通過對三種散熱器結構的模擬和分析，發現優化后方案一的散熱效果最好，肋片斷開在一定程度上有助于強化散熱。

(3)斷開式肋片散熱器可以提高對流表面傳熱系數，但并不是開縫越多越好，要綜合考慮開縫帶來的散熱面積的損失。只有綜合考慮兩者的變化，才能控制總熱阻的變化，只有總熱阻變小，才能使得基板溫度降低，達到實際的收益效果。

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