高功率LED太陽花式熱沉的散熱模擬與驗證

曹玉春，陳亞飛，周慧慧，陳其超

（常州大學 熱能與動力工程系，常州 213016）

0 引言

Light-Emitting Diode（LED），是一種注入電致發光器件，以其耗電量少、壽命長、響應速度快、體積小、無污染、易集成化等優點[1]，已被廣泛應用于各種電子產品顯示屏的背光源，汽車前大燈以及城市道路照明等領域[2,3]。目前LED只能將10%-15%的輸入功率轉化為光能，其余的均以非輻射形式轉化為熱能[4]。隨著芯片發光效率和功率的大幅提高，LED結溫不斷上升，引起應力分布不均、發光效率降低、熒光粉轉換效率下降等一系列問題，大大降低了LED使用壽命[5]，因此合理優化高功率LED散熱結構至關重要。Park[6]等在太陽花式熱沉的周圍加裝空心圓柱體，使整個燈具系統的的散熱性能提高了43%。Jang[7]等以降低燈具熱阻和重量為目的，提出了三維煙囪流的熱沉模式，采用高度不均的翅片形式，使得在整體重量保持不變的基礎上散熱性能提高了45%。廖紹凱[8]等提出優化散熱片面積，有效降低芯片結溫。王長宏[9]等基于有限元分析，采用控制變量法對方形散熱器的結構參數進行優化達到最佳散熱狀態。

本文采用Ansys Icepak軟件針對96W LED工礦燈進行溫度場模擬和分析，以芯片結溫最低化作為優化目標，分別從翅片厚度、翅片個數、翅片高度以及空心圓柱厚度四個角度對太陽花式散熱熱沉的結構進行優化計算，從而達到對該類型工礦燈增強散熱效果的目的。

1 散熱模型的建立與模擬分析

1.1 模型建立

LED模型分為四個主體部分：燈罩、芯片、基板、太陽花式熱沉。研究太陽花式的熱沉結構對溫度的影響，采用SolidWorks建模時，將基板作為發熱元件，省去數量多且尺寸小的芯片，可大大減少網格劃分數量以及求解計算量。同時省略了LED封裝的擴散罩、導線、導熱膠、孔洞、倒角對散熱效果的影響。圖1為燈具結構圖。表1為太陽花式熱沉的結構尺寸。

圖1 LED模型的結構

1.2 網格劃分

將建好的三維圖通過DM導入到Icepak軟件，根據表2設置各材料參數。燈具總功率為96W，光轉換效率為20%[10]，因此基板總熱耗為76.8W。由于熱模型均為DM導入的異形CAD體，選擇六面體占優網格（Mesher-HD）根據模型尺寸進行網格劃分并通過相應的標準檢查網格質量。

表1 太陽花式熱沉的結構尺寸

1.3 求解設置

一般LED工礦燈工作時間較長，多數處于穩態，因此計算時設置為穩態熱分析。燈具靠做自然冷卻進行散熱，計算區域（Cabinet）需足夠大使得遠場處各種變量的梯度足夠小，才能保證計算的精度。在熱模型的上部設置至少2倍的特征尺寸空間，四周至少0.5倍特征尺寸空間，下部至少1倍特征尺寸空間，設置計算域的各個外邊界設置為開放（Opening），其計算域的示意圖如圖2所示。考慮到空氣密度受溫度影響，引入Boussinesq approximation（布辛涅司克近似）假設。

針對LED散熱模型，其控制方程如下：質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中u為x軸速度分量，υ為y軸速度分量，w為z軸速度分量。Cp為定熱容，k是導熱率數。

邊界條件：1）工礦燈工作環境溫度為30℃，壓力為大氣壓；2）瑞利數＞109，選擇湍流模型進行計算；3）根據基板熱耗設定熱流邊界；4）芯片、基板與散熱器之間接觸良好。

接著進行求解計算和后處理顯示，基板和翅片的溫度分布如圖3所示。然后采用控制變量法，分別對翅片厚度δ、翅片個數N、翅片高度H以及空心圓柱直徑d各參數選取不同的值進行數值模擬，得出芯片結溫與各參數的擬合曲線圖[11]。

表2 LED各材料參數

圖2 LED計算區域

圖3 基板與翅片的溫度分布

2 模型優化

2.1 翅片厚度對散熱效果的影響

在保持其他條件不變的情況下，改變太陽花散熱器翅片的厚度，變化范圍為0.6～2.1mm，每隔3mm取一個值。得到芯片最高溫T隨著翅片厚度δ變化的擬合曲線圖，如圖4所示。

由圖4可以看出當δ變化范圍為0.6～1.2mm時，T呈下降趨勢，這是由于隨著翅片厚度的增加，散熱面積增大，有利于散熱；當δ變化范圍為1.2～2.1mm時，雖然散熱面積在增大，但溫度卻呈上升趨勢。這是由于翅片厚度的增大并不能有效的增加散熱面積，而且大大增加了散熱器的重量，加大制造成本，同時隨著翅片厚度的增加，翅片間距減小，不利于空氣流通。根據經驗值翅片厚度不低于1mm的前提下，盡量減小翅片厚度以降低成本，翅片厚度選取1.2mm最為合適。圖5為翅片厚度取1.2mm時，基板和翅片的溫度分布圖。

圖4 δ對T的影響

圖5 δ為1.2mm時的溫度場

2.2 翅片個數對散熱效果的影響

保持其他條件不變并使得翅片厚度為1.2mm，變化太陽花散熱器翅片的個數，其變化范圍為50～55，每隔一個取一個值。得到芯片最高溫T隨著翅片個數N變化的擬合曲線圖，如圖6所示。

圖6 N對T的影響

由圖可以看出隨著N的增加，T總體呈下降趨勢，這是由于隨著翅片個數的增加，散熱器的面積得到有效增加，有利于熱量散發到外部環境。但是由于受到制作工藝的制約，翅片個數不可能無限增大，同時翅片個數過多，就會增加翅片與翅片間的空氣阻力，使得對流不能充分進行，散熱效果變差，這也是當N大于53時，溫度下降趨勢略有減緩的原因。因此翅片個數選取53最為合適。

2.3 翅片高度對散熱效果的影響

保持其他條件不變并使得翅片厚度為1.2mm，翅片個數為5 3，變化翅片高度，其變化范圍為46.5～66.5mm，每隔4mm取一個值。得到芯片最高溫隨著翅片高度變化的擬合曲線，如圖7所示。

圖7 H對芯片溫度的影響

由圖可以看出隨著H的增大，T呈下降趨勢，在保證材料消耗量最少的情況下（翅片高度最小）保證芯片最高溫度不超過75℃，選取翅片高度為62.5mm最為合適。

2.4 空心圓柱厚度對散熱效果的影響

太陽花散熱器的空心圓柱內部裝有尺寸固定的驅動器，所以內圓柱直徑（39mm）的大小無法改變，只能對外圓柱直徑進行尺寸的優化。

保持其他條件不變并使得翅片厚度為1.2mm，翅片個數為53，翅片高度為62.5mm，通過改變太陽花散熱器空心圓柱的厚度來改變外圓柱直徑的大小。根據制作工藝經驗值，空心圓柱的厚度不能低于1mm。又由于受到重量的限制，不能無限增大厚度。因此選取空心圓柱厚度d變化范圍為1.1～2.1mm，每隔2mm取一個值，如表3為芯片最高溫度T與空心圓柱厚度d的對應關系。

表3 芯片最高溫度與空心圓柱厚度的對應關系

由表2可以看出隨著空心圓柱厚度的增大，芯片最高溫度減小，這是由于厚度的增大使得散熱面積面積增大，加強散熱。但下降趨勢并不明顯。比較為1.1mm和2.1mm分別對應的溫度，空心圓柱厚度相差1mm，增加了91%，而芯片溫度之差只有0.347℃，僅僅降低了0.46%。因此空心圓柱厚度的改變不但沒有使溫度有明顯的改變，而且增加了器件重量，加大了材料的消耗，提高了制作成本，為了保證芯片最高溫度不高于75℃，因此選取空心圓柱厚度為1.5mm最為合適。

3 驗證分析

圖9是太陽花散熱器結構優化后的模擬結果，利用探針分別測量燈具的燈罩表面溫度、翅片與基板接觸點的溫度以及翅片尾端的溫度。對照優化后的模型尺寸對96W LED工礦燈的太陽花式熱沉進行制作（如圖10），將制好的LED置于30℃的恒溫試驗箱中，通以220V的電壓，待LED溫度穩定后，利用激光測溫槍（測試量程為-32-380℃，分辨率0.1℃）分別測量相對應的位置，表4是模擬結果與實驗結果溫度的對比。

圖8 LED整體溫度分布

由表4可以看出，對于不同位置的溫度測試，其測試結果與模擬結果均存在一定的誤差，一是由于模型的簡化（擴散罩、導熱膠、孔洞、倒角、接線盒的簡化）與熱阻的忽略（散熱器與基板接觸面的空氣熱阻）所導致的；二由于用基板代替芯片作為熱源，忽略了芯片與芯片之間的熱耦合現象；三由于激光測溫槍的測量精度相對比較低。但誤差都在允許范圍內，因此可以忽略以上因素帶來的誤差，從而減少了建模和模擬過程中的難度。所以以上方案的優化與模擬基本反映了該工礦燈的真實溫度分布。

圖9 優化后的LED工礦燈

表4 溫度測試結果及對比

4 結論

高功率、高亮度、小尺寸是LED的發展方向，因此散熱問題變得至關重要，而其散熱性能在很大程度上受到外部熱沉的影響。針對一款96W高功率LED的工礦燈進行散熱模擬優化。主要通過優化太陽花式熱沉的結構參數，以降低芯片結溫為目的提高燈具散熱性能。結果表明：翅片厚度為1.2mm、翅片個數為53、翅片高度為62.5mm、空心圓柱厚度為1.5mm時達到最佳散熱狀態，此時芯片最高溫為74.9931℃，相對于原始設計降低了4.0985℃。并對燈具具有代表性的位置進行溫度測試，其測試結果與仿真結果基本一致，驗證了該優化方案的可行性。

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