基于煙囪效應的太陽花型散熱器的優化設計

王金亮 葉仁廣

(1.中國計量學院材料與科學學院，浙江 杭州 310018；2.寧波佰仕電器有限公司，浙江 寧波 315470)

基于煙囪效應的太陽花型散熱器的優化設計

王金亮1葉仁廣2

(1.中國計量學院材料與科學學院，浙江 杭州 310018；2.寧波佰仕電器有限公司，浙江 寧波 315470)

主要通過引入煙囪效應，加強空氣對流，增強太陽花型散熱器的散熱能力。采用ANSYS有限元分析軟件，研究了肋頂直徑、肋底直徑、散熱環半徑以及厚度等參數對散熱能力的影響，通過模擬結果可知，選取合理的參數能夠適當提高散熱器的散熱能力，減小散熱器質量，節約成本。

煙囪效應；散熱器；有限元分析法

0 引言

新一代的光源LED因節能、環保、壽命長、可靠性高等優點備受矚目，然而，LED的散熱問題仍制約著該行業的發展[1-2]。本文在前人研究的基礎上[3-4]，基于ANSYS有限元分析法，詳細研究了煙囪效應對于散熱器散熱性能及質量的影響，并與同參數下的普通太陽花型散熱器進行比較，最后通過實驗驗證了仿真結果。

1 理論與模型建立

基于ANYSY軟件的有限元分析法對散熱器的散熱能力進行熱分析。ANSYS軟件是一款專業的熱分析軟件，可處理3種熱傳遞類型，即熱傳導、熱對流以及熱輻射。

1.1 理論模型

在三維直角坐標系中，根據熱力學第一定律有：

(1)

式中，λ為導熱系數；T為溫度；qν為發熱率；τ為時間；cν為比熱容。

鋁為各向同性材料，散熱片體積為V，邊界曲面為S，由于環境溫度Ta和空氣對流換熱系數α已知，即散熱片的邊界曲面S滿足第三類邊界條件(在Γ3邊界上)，在第三類邊界條件下式(1)可變為：

(2)

將散熱片離散成n個單元和m個節點，得方程：

(3)

式中，[C]為比熱容矩陣；[K]為熱傳導矩陣；{Q}為節點的熱流率矩陣。

由式(3)可求得各節點的溫度值。

1.2 模型的建立

實驗選取深圳銘翔光電有限公司的功率為15 W的貼片型燈珠。其中，COB芯片直徑為16 mm，厚度為0.6 mm。燈珠基板為鋁基板，尺寸為20 mm×20 mm×1 mm。在ANSYS12.0中建立模型，參數如表1所示。

根據一般情況，對散熱器設定以下約束條件：

(1) 我們選擇CREE公司的藍光LED芯片，設定其發熱率為85%。設該芯片的產熱率為Q，即：

表1 散熱器結構參數

(2) 鋁的導熱系數為200 W/(m·K)，密度為2.7×103kg/m3。LED芯片的導熱系數為130 W/(m·K)。

(3) 環境溫度設為25 ℃，空氣的對流換熱系數為10 W/(m2· ℃)。

ANSYS軟件下采用穩態模擬，結果如圖1所示，芯片最高溫度為59.03 ℃。

圖1 散熱器表面溫度分布情況

2 散熱器的優化

2.1 對肋底直徑的優化

選擇肋頂直徑為64 mm，保持散熱器其他結構參數不變，僅改變肋底直徑，分析肋底直徑變化時其散熱能力的變化情況。當肋底直徑分別為62.92 mm、68.68 mm、80.2 mm時，散熱器質量分別為410 g、421.5 g、445 g，芯片溫度分別為66.99 ℃、63.97 ℃、54.37 ℃。可知，減小肋底直徑，芯片溫度將明顯升高。這是由于底部面積的減小限制了空氣的流入，煙囪效應也會相應減弱，散熱效果就明顯減弱。

2.2 對散熱環厚度的優化

選擇上述優化參數，保持散熱器其他結構參數不變，僅改變散熱環厚度，分析散熱環厚度變化時其散熱能力的變化情況。當散熱環厚度分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm時，散熱器質量分別為412.4 g、428.5 g、445 g，芯片溫度分別為59.40 ℃、59.49 ℃、59.63 ℃。可知，在散熱環厚度變小的情況下，散熱器質量與芯片溫度都相應降低，其中散熱器質量的下降幅度更是明顯。

2.3 對散熱環半徑的優化

改變散熱器外環的半徑，分析散熱環半徑變化時散熱能力的變化情況，得到數據如圖2所示。

圖2 芯片溫度與散熱器質量

由圖2可知，在散熱環半徑增大時，芯片溫度逐漸降低，但是散熱器質量會隨著散熱環半徑的增大而增加。當散熱環呈曲線型時，空間占用率較小，且更為美觀。

綜上所述，取肋頂直徑64 mm，肋底直徑80.2 mm，散熱環半徑300 mm，散熱環厚度1 mm。模擬優化后的散熱器，芯片溫度60.1 ℃，散熱器質量421.7 g。模擬相同參數下的太陽花型散熱器，芯片溫度64.59 ℃，散熱器質量425.3 g。由上可知，基于煙囪效應的散熱器的散熱效果與質量都優于普通太陽花型散熱器。另外，文章所設計的散熱器表面溫度更低，且溫度分布更均勻。在室內常溫25 ℃的條件下，實驗使用FLUKE溫度傳感器(精度±0.1 ℃)對優化后的散熱器進行溫度測量，在散熱器溫度達到穩定時，測得實際溫度為64.3 ℃，同比于模擬結果僅相差4.2 ℃。

3 結語

本文在原有的太陽花型散熱器上引入煙囪效應，通過ANSYS有限元分析軟件對散熱器進行散熱分析，由分析結果可知，引入煙囪效應后，散熱器的散熱能力略有提升，散熱器總質量也略有減少，同時散熱器空間占用率更低，其外觀也更整潔美觀。最后對比實測溫度與軟件模擬溫度，誤差僅4.2 ℃。

[1]王海鷗，李廣安.認識照明LED[J].中國照明電器，2004(2)

[2]白坤，吳禮剛，聶秋華，等.大功率LED筒燈散熱封裝設計與分析[J].光學技術，2012(3)

[3]張國旺，韓彥軍，羅毅.基于煙囪效應的集成封裝半導體照明光源散熱結構優化設計[J].光電器件，2013(5)

[4]李中，李勇，湯應戈，等.大功率LED太陽花散熱器的結構優化[J].激光與光電子進展，2012(10)

2014-06-09

王金亮(1989—)，男，浙江紹興人，在讀碩士研究生，研究方向：LED分裝。