LED太陽花散熱器正交試驗模擬優化設計

李　灝，錢新明，陳　威

(爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京理工大學，北京　100081)

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LED太陽花散熱器正交試驗模擬優化設計

李灝，錢新明，陳威

(爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京理工大學，北京100081)

摘要：利用仿真軟件ICEPAK對一款大功率LED太陽花散熱器進行了熱仿真模擬。實驗數據曲線和模擬結果曲線的相似度分析結果表明利用ICEPAK進行太陽花散熱器熱仿真模擬的可行性。為了提高太陽花散熱器的散熱效率以及控制散熱器重量，使用正交試驗法對太陽花散熱器進行模擬優化設計，從散熱器圓柱半徑、熱沉高度、翅片厚度、翅片數量、翅片長度等5個方面考察了太陽花散熱器的尺寸參數對散熱器重量與LED最高溫度的影響。得到了一個散熱效率最優化結果，優化后LED的最高溫度較優化前下降了11℃，重量基本不變。

關鍵詞：散熱器；正交試驗；優化設計；模擬

引言

相對于其他照明方式，LED照明具有明顯的優勢：體積小、功耗低、綠色環保、使用壽命長、安全、豎固耐用，其在照明領域得到了很大的應用[1]。但是隨著尺寸的減小以及功率的大幅提高，導致LED 結溫居高不下，引起了光強降低、光譜偏移、色溫升高、熱應力增高、元器件加速老化等一系列問題，大大降低了 LED 的使用壽命[2]。對于大功率LED芯片來說，一般超過80%的輸入功率被轉化為熱能，其余部分被轉化為光能[3]。而半導體元件溫度的上升會造成其可靠性和安全性的下降[4]。研究顯示，電子器件的故障率隨元件溫度的升高呈指數關系增加，器件溫度在70℃～80℃水平上每增加1℃，可靠性下降5%[5]。目前，LED熱管理廣泛采用的技術是利用外部散熱器散熱。LED主要散熱部件的散熱器在散熱能力與散熱成本上的合理配置，是散熱設計的首要目標。散熱設計是保證LED照明燈具散熱能力的首要保障措施。常見的大功率LED散熱器分為直肋式和太陽花式。楊桂婷[6]對直肋式散熱器的翅片長度、寬度和數量對散熱器溫度的影響進行了模擬仿真。梁融[7]在對LED 肋片散熱器結構數值分析基礎上，提出了開縫對散熱器的影響。劉靜[8]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。應用ICEPAK對太陽花結構進行熱模擬研究較少。本文將正交試驗設計方法用于太陽花散熱器的優化設計，通過ICEPAK仿真模擬，考察了太陽花散熱器各項尺寸參數對給定功率的芯片達到穩態時散熱器溫度的影響，獲得了優化尺寸參數組合。提高了太陽花散熱器的散熱效率。

1太陽花散熱器實驗測量及仿真建模

選用一款60W的LED太陽花散熱器作為研究對象。首先利用對太陽花散熱器的實物測量和模擬對比，驗證模擬的可靠性。太陽花散熱器的實物與Solidworks模型如圖1所示。圖1(b)中由上至下有3部分，分別為LED基板、導熱硅脂和熱沉，熱沉內部稱為圓柱，外部稱為翅片。熱沉的材料為鋁。芯片采用COB封裝大功率LED，其總功率為60W，散熱器模型的結構和材料參數如表1所示。利用紅外熱像儀進行溫度測量，實驗時室溫為25℃。

表1　太陽花散熱器的結構和材料參數

圖1　太陽花散熱器實物與仿真模型Fig.1　Physical and simulation model of sunflower radiator

COB芯片不斷產生熱量， 導熱硅脂和散熱器進行熱傳導，太陽花翅片與周圍空氣發生自然對流換熱。因此，近似地把問題看作是三維、穩態、常物性、有內熱源的導熱和對流換熱的耦合問題。在計算過程中由溫差引起的輻射換熱忽略不計，由于溫差而引起的浮生力作用， ICEPAK在計算中引入了Boussinesq假設[9]：①流體中的粘性耗散項忽略不計；②除密度外其他物性皆為常數；③密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余各項中的密度作常數處理。計算區域采用有限容積法在同位網格上進行控制方程的離散，k-ε雙方程模型求解。壓力、動量和能量方程中的對流項均采用二階迎風格式。控制方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在Solidworks中進行散熱器建模，為了建模及劃分網格的可靠性，刪除了定位孔及對波浪形翅片進行了簡化。將模型導入ICEPAK中進行模擬仿真，根據所采用的LED規格設定LED的光電轉換效率η為20%，即散熱器功率為48W，采用面光源。電源為外置電源，因此在散熱建模仿真時電源發熱量不計入散熱器功率中。環境溫度為溫度測量時的25℃，基座與實驗臺接觸的面為絕熱且氣流不能穿過的平面，另外5個面為opening。實驗與模擬結果的對比如圖2所示。利用Matlab的corrcoef函數進行相關性分析，相關系數在0到1 范圍內，越接近1，說明兩條曲線的相似度越高，對穩態下實驗數據曲線和模擬結果曲線分析得到相似度結果為0.9746。這表明了利用ICEPAK進行太陽花散熱器熱仿真模擬的可行性。

圖2　60W太陽花實驗與模擬溫度對比Fig.2　Comparison of experimental result with simulation result for 60W sunflower radiator

2太陽花散熱器正交試驗優化設計

2.1正交試驗法

正交試驗設計法具有完成試驗要求所需的實驗次數少、數據點分布均勻、可用相應的極差分析方法等優點[10]。

將正交試驗優化法引用到太陽花散熱器設計中，可優化LED太陽花散熱器結構，提高散熱能力，控制散熱器的質量。其主要方法是對散熱器進行結構優化設計，確定各相關尺寸因素的最佳參數組合，綜合考慮散熱效果和散熱器重量。

2.2　太陽花散熱器正交試驗優化設計

選定太陽花散熱器5個關鍵影響參數，分別為A:圓柱半徑、B:熱沉高度、C:翅片長度、D:翅片厚度、E:翅片數度。每個影響參數有五個水平值。根據影響參數和水平值選用L25(56)的正交試驗表來安排模擬仿真，正交試驗表如表2所示。按照表2中的實驗數據分別進行建模仿真，得出參數在不同水平組合下的LED最高溫度(Tmax)及散熱器重量(G)。

表2　太陽花散熱器正交試驗設計安排

整理后得出各個關鍵參數對應的溫度和質量極差及其變化曲線圖，如圖2~圖6。通過對圖2~圖6的分析得出，翅片長度和圓柱直徑對溫度的影響最高，而翅片厚度對溫度的影響最小，各參數影響順序依次是A>C>B>D>E；而圓柱半徑對重量的影響最大，翅片厚度對重量的影響最小，各參數影響順序依次是A>B>D>E>C。由極差分析結果可知，圓柱半徑的大小對散熱器最高溫度和散熱器重量來說都是影響最大的因素。

圖2　圓柱半徑與LED最高溫度和散熱器重量的關系Fig.2　Effect of cylindrical radius on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

圖3　熱沉高度與LED最高溫度和散熱器重量的關系Fig.3　Effect of radiator height on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

圖4　翅片長度與LED最高溫度和散熱器重量的關系Fig.4　Effect of fin thickness on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

圖5　翅片厚度與LED最高溫度和散熱器重量的關系Fig.5　Effect of fin thickness on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

圖6　翅片數量與LED最高溫度和散熱器重量的關系Fig.6　Effect of the number of fins on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

對流換熱能力與對流換熱系數及換熱面積有關。隨著圓柱半徑的增加，散熱器溫度呈下降趨勢，但是下降趨勢放緩。圓柱半徑過小，導致翅片根部間距小，影響空氣流動，隨著半徑增加，空氣流動速度在增大，但是繼續增加半徑會造成熱阻增大。增加翅片長度是有效增加對流換熱面積的方式，過長的翅片會造成翅片根部的空氣流速減小，同時造成熱阻增大。增加熱沉高度也是增加對流換熱面積，但高度增加到一定程度散熱器會出現明顯的溫度差，下端的散熱器溫度較低。增加翅片數量和增加翅片厚度對溫度影響較小，一味增加翅片數量或者厚度反而會削弱翅片間的空氣流速，進而減小傳熱系數。

圖7　優化前仿真結果Fig.7　Simulation results before the optimization

圖8　優化后仿真結果Fig.8　Simulation results after the optimization

根據優化試驗結果綜合考慮，選定散熱器結構參數組合為A3C4B4D2E2。圖7和圖8是優化前后，散熱器模擬溫度的對比圖。優化前的模型尺寸為：圓柱半徑40mm、翅片長度40mm、熱沉高度65mm、翅片厚度2mm、翅片數量36；優化后的模型尺寸為圓柱半徑40mm、翅片長度45mm、熱沉高度75mm、翅片厚度1.6mm、翅片數量32。通過仿真模擬得出其優化后散熱器最高溫度為64℃，散熱性能大幅提升。優化后的LED最高溫度下降11℃。優化后的散熱器重量為1390g，與優化前的1397g相比略微下降。

3結論

本文通過對實驗數據曲線和模擬結果曲線的相似度分析，表明了ICEPAK應用于太陽花散熱器熱模擬的可行性。應用正交試驗結合ICEPAK對一款常用的60W太陽花散熱器尺寸(圓柱半徑40mm、翅片長度40mm、熱沉高度65mm、翅片厚度2mm、翅片數量36)進行了模擬優化設計，在維持散熱器重量基本不變的基礎上，優化后的太陽花散熱器(圓

柱半徑40mm、翅片長度45mm、熱沉高度75mm、翅片厚度1.6mm、翅片數量32)能將LED芯片穩態溫度較優化前降低11℃，顯著提高了太陽花散熱器的散熱效率。

參考文獻

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Optimum Design of LED Sunflower Radiator Based

on Orthogmal Experiment

Li Hao，Qian Xinming，Chen Wei

(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract：Thermal simulation of a large power LED sunflower radiator was carried out by using simulation software ICEPAK. Comparing the experimental data curves with simulation results, it is feasible to simulate the thermal behavior of sunflower radiator by using ICEPAK. In order to improve the heat dissipation efficiency of sunflower radiator and control the weight of the radiator, using the orthogonal test method to optimize the design of the radiator. The influence of 5 factors, such as cylindrical radius, heat sink height, fin thickness, fin number and fin length, is analyzed. An optimized result is obtained, which is the maximum temperature of LED decreased by 11 degree centigrade, with the weight unchanging.

Key words:radiator; orthogonal experiment; optimum design; simulation

通訊作者：錢新明，E-mail:qsemon@bit.edu.cn

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.022