LED路燈散熱器散熱性能的數值模擬

梁才航，楊永旺，何　壯

(1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林　541004;2.桂林航天工業(yè)學院 廣西高校無人機遙測重點實驗室，

廣西 桂林　541004；3.北京理工雷科電子信息技術有限公司，北京　100081)

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LED路燈散熱器散熱性能的數值模擬

梁才航1,2，楊永旺1,3，何壯1

(1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004;2.桂林航天工業(yè)學院 廣西高校無人機遙測重點實驗室，

廣西 桂林541004；3.北京理工雷科電子信息技術有限公司，北京100081)

摘要：提高LED散熱性能是提高LED可靠性的關鍵技術之一。利用數值模擬的方法對大功率LED路燈散熱器進行散熱性能的研究。運用Ansys Icepak軟件研究了LED散熱器的翅片高度、厚度、間距對LED結溫的影響，結合金屬熱強度指標對各幾何參數進優(yōu)化。優(yōu)化后的LED散熱器翅片的質量減少39.76%，而LED的結溫為61.33℃，仍然在正常工作溫度范圍內。

關鍵詞：LED散熱器；數值模擬；散熱性能

引言

隨著LED功率的提高，熱流密度的增加，使其壽命縮短，甚至燒毀芯片[1]。研究LED燈散熱器的散熱性能并進行結構優(yōu)化, 可大大減少它的傳熱熱阻,提高LED燈的散熱能力，對改善其散熱條件和提高其可靠性意義重大。

在LED的結構優(yōu)化研究中，Cheng-Hung Huang等[2]采用三維逆向工程優(yōu)化一種10×10陣列散熱器，將散熱器的熱阻降低了12.98%。Tae Hoon Kim等[3]通過體積平均方法預測自然對流垂直板翅式散熱器的尺寸，研究了散熱器的翅片厚度和翅片間距。Chien-Chang Wang等[4]用有限元數值方法對散熱器的幾何參數進行了優(yōu)化。Karathanassis等[5]研究了層流流動的可變寬度的平板翅片散熱器散熱情況，結果證明可變寬度的翅片對散熱性能有所提高。Daeseok Jang等[6]對針狀翅片散熱器的長度參數進行優(yōu)化，使散熱器的質量降低30%。Vítor A.F. Costa等[7]運用CFX研究了散熱器的長度、寬度、高度對LED熱阻和結溫的影響，并進行了結構優(yōu)化。徐婷婷等[8]運用Icepak軟件對散熱器的翅片高度、間距、數量和擺放方式進行了數值模擬，并分析了在真空中的散熱性能要遠差于大氣環(huán)境中的散熱性能。余桂英等[9]通過實驗與仿真相結合的方法，采用ANSYS軟件研究了LED射燈的熱流功率、基座厚度、芯片間距、對流面積對散熱性能的影響。結果表明, 對流面積是影響散熱性能的最重要因素；對一定的散熱器, 存在一個有效的最大芯片輸入功率。

本文采用數值傳熱學分析方法分析大功率LED路燈散熱器幾何參數對散熱性能的影響。在自然對流條件下，對LED翅片散熱器進行分析，分析翅片的高度、厚度、間距對散熱性能的影響，找出原始方案的不足，并提出了改進方案。

1建立模型

1.1　軟件建模

應用Ansys Icepak軟件進行建模，直接調用Heatsink模塊建立散熱器模型。Mcpcb分為三層包括Cu、Polymer、Al，分別用Block模塊進行建模。LED芯片熱源用Block模塊建立熱源。研究LED路燈的自然對流散熱情況，將Cabinet六個面設置成Opening，并且Y+大于2L，Y-大于L，其余四個方向大于0.5L，L為模型的特征長度。打開輻射，設置重力方向，環(huán)境溫度30℃。自然對流散熱，Icepak根據公式(1)、(2)、(3)自動求解出瑞利數Ra=4.61×109和普朗特數Pr=0.7085，確定使用湍流Two-equation模型，Two-equation模型是Icepak中流動計算中應用最為廣泛的湍流模型。對于自然對流的湍流流動其計算的魯棒性、經濟性以及適當的精確度使其在湍流流動與傳熱的仿真計算中效果良好。

(1)

(2)

(3)

式中：ν為流體運動黏度；a為流體的熱擴散系數；g為重力加速度；β為熱膨脹系數；L為特征尺寸；ΔT為流體與壁面溫度差。

1.2　幾何模型

LED路燈總功率180W，LED路燈散熱器由5組等大的散熱器構成，每組散熱器下方有24個LED燈珠，每個LED燈珠的功率是1.5W，光電效率為20%，熱功耗為1.5W×80%=1.2W，環(huán)境溫度為30℃。5組散熱器結構相同，所以對1組散熱器進行分析即可得出結果，散熱器幾何尺寸，見表1。散熱器幾何模型，見圖1。

表1　散熱器幾何尺寸

圖1　散熱器幾何模型Fig.1　Heat sink geometric model

對散熱器采用非結構化六面體劃分網格如圖2所示。網格劃分element：151218，與element：101032網格計算結果溫差2℃，與element：180569網格計算溫差0.2℃，所以采用element：151218網格計算結果進行研究。圖3為溫度分布云圖，從圖中可知，結溫為60.16℃。

圖2　散熱器模型的網格劃分Fig.2　The mesh structure of the pin fin heat sink

圖3　散熱器模型溫度云圖Fig.3　Pin heat sink temperature picture

2討論分析

2.1　實驗驗證

將LED接通電源，用K型熱電偶連接安捷倫(Agilent 34970A)與散熱器，進行實驗驗證，如圖4所示。并且將實驗與環(huán)境溫差和仿真與環(huán)境溫差做誤差對比分析研究，見圖5。從圖5中可以看出，仿真誤差在10%以內，說明仿真準確，可以指導實驗研究。

圖4　熱電偶測溫實驗Fig.4　Thermocouple test experiment

圖5　實驗與仿真誤差分析Fig.5　Comparison between experimental and simulation temperature

2.2　對散熱器翅片高度的優(yōu)化分析

原模型翅片高度為45 mm，模擬翅片高度為35 mm，40 mm，45 mm，50 mm，55 mm，60 mm，65 mm，70 mm，75 mm，80 mm的不同情況。比較了不同翅片高度對LED芯片結溫和金屬熱強度的影響，如圖6所示。

散熱器翅片的高度發(fā)生了變化，即散熱器的質量和面積發(fā)生了改變。由圖6可以看出翅片高度在35 mm~65 mm階段，結溫下降較快，但是當翅片高度增長到65 mm以后，結溫下降緩慢，此時再增加翅片的高度對于散熱效果不是很明顯。分析可知：翅片高度增加，有利于散熱器的散熱，并且翅片高度增加對翅片換熱面積的增大效果比對換熱系數的減小效果更顯著[10]。翅片高度增加，耗材增加，經濟性變差。

金屬熱強度是指金屬散熱器內熱媒的平均溫度與室內空氣溫度相差1℃時，每千克質量的金屬單位時間所散出的熱量。q值越大，說明散出同樣的熱量所耗用金屬越少。這是衡量散熱器節(jié)能和經濟性的一個很重要的指標。

金屬熱強度方程：

(4)

式中q為散熱器的金屬熱強度；Q為散熱器的散熱量；ΔT為溫差；G為散熱器的質量。

從圖6中可以看出，隨著翅片高度增加，金屬熱強度逐漸下降，從另外一個角度也說明了并不是翅片的高度越高，散熱器性能就越好。由此推斷，必然存在某一高度值，使得翅片結構的散熱性和經濟性匹配的最好。

圖6　不同翅片高度的芯片結溫和金屬熱強度Fig.6　Different fin height of junction temperature and metal thermal intensity

2.3　對散熱器翅片厚度的優(yōu)化分析

原模型翅片厚度為0.83 mm，模擬翅片的厚度為0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm的不同情況。比較了不同翅片厚度對LED芯片結溫和金屬熱強度的影響，如圖7所示。

圖7　不同翅片厚度的芯片結溫和金屬熱強度Fig.7　Different fin thickness of junction temperature and metal thermal intensity

保證散熱器的翅片數量不變，改變翅片的厚度。由圖7可以看出，隨著翅片厚度的增加，厚度從0.5 mm~2 mm階段結溫下降，2 mm以后結溫上升，當翅片厚度為2 mm時，結溫最低。因為隨著翅片厚度增加，翅片效率ηf增加，換熱量增加，直到隨著厚度增加影響到了間距對散熱要求的影響時，結溫會逐漸上升，翅片效率ηf減小，換熱量減小。如圖7中所示，在翅片厚度達到3.5 mm時，翅片間距為8.9 mm，此時再持續(xù)增加翅片厚度，必然會導致對流換熱系數下降，結溫上升。由圖7可以看出，隨著翅片厚度增加，散熱器質量增加，金屬熱強度逐漸下降。由此得出，在翅片厚度增加的過程中，會存在一個最佳的厚度達到最佳的降溫效果。

2.4　對散熱器翅片間距的優(yōu)化分析

原模型間距11.7 mm，模擬翅片間距2 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm，11 mm，12 mm，13 mm，14 mm，15 mm，16 mm的不同情況。比較了不同翅片間距對LED結溫和金屬熱強度的影響，如圖8所示。

圖8　不同翅片間距的芯片結溫和金屬熱強度Fig.8　Different fin space of junction temperature and metal thermal intensity

散熱器翅片間距發(fā)生了變化，即散熱器的質量和對流換熱面積發(fā)生了改變。由圖8可以看出隨著翅片間距增加，翅片間距在2 mm~6 mm階段結溫下降，在6 mm之后結溫上升。隨著翅片間距增加，金屬熱強度逐漸上升。隨著翅片間距的增大，空氣流道變寬，浮升力相對增大，翅片間氣體流動順暢，湍流流動強度增強，格拉曉夫數變大，有利于翅片的對流換熱，使得結溫隨著翅片間距的增大而降低[10]。但是，當翅片間距增大到6 mm以后，隨著翅片間距的增加，換熱表面積減小的不利影響越來越大，超過了間距的增加對翅片對流換熱的作用，使結溫呈現回升趨勢。表明翅片存在一間距值，使得翅片的散熱性能最好。

3結論

1)通過計算得出，Ra=4.61×109，Pr=0.7085，對散熱器模型采用湍流Two-equation方程模型求解，得出LED結溫為60.16℃，金屬熱強度為2.05W/(kg·℃)。

2)通過分析散熱器的翅片高度、厚度、間距對LED結溫和金屬熱強度的影響。可知，翅片高度低于65 mm，結溫下降較快，翅片高度高于65 mm，結溫下降緩慢；翅片厚度小于2 mm，結溫呈下降趨勢，翅片厚度大于2 mm，結溫逐漸上升；翅片間距小于6 mm結溫下降，翅片間距大于6 mm結溫逐漸上升。當高度為65 mm，厚度為2 mm，間距為6 mm時，溫差最小，散熱性能最好，且具有良好的金屬熱強度。

3)考慮到散熱器對LED芯片結溫和金屬熱強度的影響，在保證可靠性的前提下，盡量降低散熱器質量的原則，以體現經濟型和節(jié)能。采取翅片厚度0.5 mm，翅片高度為45 mm，間距為8 mm，得出結溫61.33℃，溫升1.2℃，但是在燈具的可靠溫度范圍內，散熱器翅片的質量降低了39.76%。

參考文獻

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[10] 樊鵬.一種LED熱沉的流動傳熱性能及結構優(yōu)化[D].北京:華北電力大學，2012.

《節(jié)能照明光源新進展》新書出版

由復旦大學電光源研究所陳育明教授和陳大華教授編著的《節(jié)能照明光源新進展》一書，于2016年1月，由安微科學技術出版社正式出版，書號：ISBN978-7-5337-6846-1，全書391頁60萬字，定價98元。

該書分四大篇，分別為光源與照明基礎、熱輻射照明光源、氣體放電照明光源和固態(tài)照明光源，力求全面涵蓋照明光源的要點內容，注重反映當前照明光源發(fā)展的最新動態(tài)。本書圖文并茂，理論性、系統性、操作性強，閱后能有所受益。本書適于供廣大從事光源與照明研究生產的科技人員、照明設計工程師和大專院校的師生，以及其他有關人員進行參考。

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公共照明節(jié)能評價標準研討會在邯鄲召開

2016年1月8日至9日，由中國節(jié)能協會、中國標準化研究院資源與環(huán)境分院、邯鄲經濟技術開發(fā)區(qū)主辦的“公共照明節(jié)能效果應用評價指南標準工作組研討會”在邯鄲市召開。國家發(fā)改委環(huán)資司、國家節(jié)能中心、省市發(fā)改委等領導及行業(yè)專家等近100位代表參加了會議。

會上，與會人員參觀了邯鄲市道路照明及標準試驗示范路，并就道路照明工程效果及節(jié)能評價技術要求、照明系統能效評估平臺建設、第三方監(jiān)測機構作用等進行了細致的討論，提出中肯的意見和建議。工作組將結合本次研討會結果，盡快修改完善公共照明節(jié)能效果應用評價標準體系。

Numerical Simulation of LED Street Light Heat Sink

Liang Caihang1，2， Yang Yongwang1，3， He Zhuang1

(1.SchoolofMechano-ElectronicEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China；

2.GuilinUniversityofAerospaceTechnology,Guilin541004,China; 3.RACOBITCo.Ltd.,Beijing100081,China)

Abstract：Increased thermal performance of LED is very important to improve the reliability of LED. In the present work, thermal performances of LED heat sink are conducted using numerical simulation. Effect of the fin height, fin thickness and fin space on LED junction temperature are investigated. The geometry parameters are optimized with the metal thermal intensity. The optimal results show that the total weight of the LED heat sink fin reduced up to 39.76%. the LED junction temperature is still at 61.33℃.

Key words:LED heat sink; numerical simulation; thermal performance

通訊作者：梁才航，E-mail：lianghang@guet.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金(No.51566002)；廣西信息科學實驗中心課題(No.20130315)；廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室課題(No.13-051-09-008Z)；桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(No.GDYCSZ201402);廣西高校無人機遙測重點實驗室開放課題(No.201550625)

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.023