LED路燈熱管散熱器翅片開(kāi)縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

王林習(xí)，虞斌，沈中將，王佩順

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京211816）

LED路燈熱管散熱器翅片開(kāi)縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

王林習(xí)，虞斌，沈中將，王佩順

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京211816）

針對(duì)散熱器底部存在空氣滯留區(qū)，減弱了散熱器的對(duì)流換熱效果。因此對(duì)散熱器翅片進(jìn)行開(kāi)縫優(yōu)化研究，采用Icepak軟件模擬了3種不同開(kāi)縫結(jié)構(gòu)在不同開(kāi)縫寬度情況下的散熱過(guò)程，得到了不同開(kāi)縫結(jié)構(gòu)時(shí)散熱器截面的溫度邊界層與速度邊界層分布。結(jié)果表明：翅片內(nèi)空氣繞過(guò)開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，增加了流動(dòng)空氣擾動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)由單向變?yōu)槎嘞颍崞g空氣流速提高了18%，溫度降低了5%。

熱管散熱器；滯留區(qū)；開(kāi)縫翅片；數(shù)值模擬

LED的發(fā)光效率與壽命隨溫度升高分別呈直線(xiàn)、指數(shù)規(guī)律下降，溫度每降低10℃，壽命就能延長(zhǎng)2倍，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致芯片燒毀失效。因此，LED的散熱問(wèn)題是阻礙其成為主流光源的瓶頸之一。散熱裝置的發(fā)展，如板翅式散熱器在電子器件中的應(yīng)用，使得散熱翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為主題。陳啟勇等［1］針對(duì)空氣滯留區(qū)，流動(dòng)空氣不能順利進(jìn)入翅片內(nèi)部，設(shè)計(jì)了一種透空型散熱結(jié)構(gòu)。Shaeri M R等［2］研究了開(kāi)縫數(shù)目與開(kāi)縫尺寸對(duì)提高對(duì)流換熱系數(shù)和減輕散熱器重量的影響。Wong S等［3］研究了散熱面積與對(duì)流換熱系數(shù)的作用，在兩者相互作用中存在最佳翅片間距值。莊四祥等［4］通過(guò)正交試驗(yàn)方法對(duì)散熱器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　翅片開(kāi)縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1開(kāi)縫結(jié)構(gòu)模型

在自然對(duì)流換熱過(guò)程中，散熱器周?chē)c內(nèi)部空氣的流動(dòng)狀態(tài)，直接影響散熱性能［5］。通常在散熱器底部位置存在空氣停滯區(qū)域［6］，該區(qū)域中空氣流動(dòng)困難，影響了散熱器的散熱效果。散熱器模型如圖1所示。

對(duì)熱管散熱器的翅片進(jìn)行開(kāi)縫優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)了I、II、III 3種不同結(jié)構(gòu)形式的開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分布來(lái)評(píng)價(jià)開(kāi)縫結(jié)構(gòu)是否有效。3種開(kāi)縫結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，開(kāi)縫縫隙寬度分別為t=2 mm與t=4 mm。I型翅片開(kāi)縫模型將翅片分為兩部分，兩部分寬度相同，如圖2 （a）所示。II型翅片開(kāi)縫模型將翅片分為長(zhǎng)度不同的窄邊與寬邊，兩端為寬邊，并且兩部分寬度相同，中間部分為窄邊，如圖2（b）所示。III型翅片開(kāi)縫模型將I、II兩種開(kāi)縫模型交替布置，如圖2（c）所示。

1.2邊界層方程

穩(wěn)態(tài)、無(wú)熱源自然對(duì)流散熱的邊界層方程為：

圖1　散熱器模型

圖2　3種開(kāi)縫結(jié)構(gòu)模型

式中：u，v—分別為x，y方向上的速度，m/s；T—散熱器溫度，K；T∞—主流空氣溫度，k；g—重力加速度，m/s2；α—熱擴(kuò)散率，m2/s；ρ0—主流體密度，kg/m3。

在計(jì)算過(guò)程中采用零方程模型，零方程模型是最簡(jiǎn)單的湍流模型，針對(duì)大多數(shù)電子散熱問(wèn)題而言，零方程模型具有足夠的計(jì)算精確度，經(jīng)濟(jì)適用，可以完全滿(mǎn)足計(jì)算要求。

2　結(jié)果討論

2.1溫度邊界層分布

圖3為未開(kāi)縫翅片的俯視溫度云圖，在未開(kāi)縫改進(jìn)前，翅片內(nèi)溫度分布不均勻。在溫度云圖中散熱器中間區(qū)域部分溫度最高，溫度沿散熱器中心線(xiàn)向兩邊遞減，呈對(duì)稱(chēng)分布，散熱器四周靠近空氣側(cè)翅片溫度最低［7］。距空氣側(cè)較近的翅片溫度低，是由于在空氣側(cè)空氣的流速最大，提高了對(duì)流換熱系數(shù)，換熱效果強(qiáng)烈，距離周?chē)諝膺h(yuǎn)的翅片，翅片內(nèi)部流動(dòng)阻力大，空氣流動(dòng)困難，難以充分與翅片進(jìn)行換熱，換熱效果較弱。散熱器翅片中間部位溫度邊界層比較厚，之后溫度邊界層厚度沿翅片長(zhǎng)度方向向兩側(cè)遞減，散熱器中間部位翅片間的溫度邊界層難以得到發(fā)展和分離，溫度邊界層連接在一起，形成一條帶狀分布。

圖3　未開(kāi)縫翅片溫度

開(kāi)縫結(jié)構(gòu)能夠增加流體流動(dòng)的擾動(dòng)，流動(dòng)程度增強(qiáng)，使邊界層減薄，減小換熱熱阻，增強(qiáng)換熱效果。圖4（a）、（b）是在翅片中間部位開(kāi)縫，翅片被分為兩部分，開(kāi)縫結(jié)構(gòu)破壞了連接成帶狀的溫度邊界層分布，將其分離開(kāi)來(lái)，有效提高了散熱器換熱效果［8］。圖4（c）、（d）翅片開(kāi)有兩道縫隙，翅片被分為3部分，靠近空氣側(cè)部分較長(zhǎng)，中間部分較窄，此結(jié)構(gòu)同樣能增加翅片內(nèi)空氣流動(dòng)擾動(dòng)，將溫度邊界層分離，增加散熱器換熱量。圖4（e）、（f）是將上述兩種開(kāi)縫結(jié)構(gòu)間隔布置，提高散熱器散熱性能原理相同。與翅片未開(kāi)縫之前的溫度云圖（圖3）對(duì)比，翅片的開(kāi)縫結(jié)構(gòu)能夠增加流動(dòng)空氣擾動(dòng)，增加空氣流入量，使翅片內(nèi)部空氣的流動(dòng)趨于一致性，使翅片壁面附近的溫度邊界層分離，各翅片表面的換熱系數(shù)趨于均勻，每一個(gè)翅片的換熱效果得到最大提升，增強(qiáng)對(duì)流換熱的效果，翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)是有效的。

圖4　開(kāi)縫翅片溫度

2.2速度邊界層分布

圖5所示是未對(duì)翅片進(jìn)行開(kāi)縫前散片內(nèi)部空氣流速分布，散熱器內(nèi)流體流動(dòng)不均勻，空氣速度分布一般為剛進(jìn)入翅片處時(shí)速度最大，翅片中間區(qū)域速度最小。這是因?yàn)樵谏崞髑昂罂諝鈦?lái)流流速反向，翅片入口處速度有最大值，但是散熱翅片結(jié)構(gòu)阻礙了來(lái)流空氣的流動(dòng)，流動(dòng)過(guò)程中在翅片壁面附近形成速度邊界層，隨著向翅片內(nèi)部深入流體流速降低。在翅片中間部位，由于相反流速的來(lái)流空氣存在相互“抵消”作用，使得這一部位空氣流速降到最低，出現(xiàn)空氣滯留現(xiàn)象，形成一個(gè)空氣滯留區(qū)［8］。

圖5　未開(kāi)縫結(jié)構(gòu)速度

圖6是經(jīng)開(kāi)縫優(yōu)化后翅片間的流場(chǎng)分布，速度云圖中顯示了開(kāi)縫翅片之間空氣的流速分布。

圖6　開(kāi)縫翅片速度分布

翅片經(jīng)開(kāi)縫優(yōu)化后，開(kāi)縫結(jié)構(gòu)破壞了翅片的完整性，散熱器內(nèi)部流體在沿翅片長(zhǎng)度方向流動(dòng)的同時(shí)，空氣還能繞過(guò)開(kāi)縫間隙沿翅片厚度方向流動(dòng)，空氣的流動(dòng)由單向變?yōu)槎嘞颍黾恿黧w流動(dòng)的擾動(dòng)。與此同時(shí)帶動(dòng)了各翅片間空氣相互流動(dòng)，彼此之間能夠進(jìn)行換熱。

將開(kāi)縫優(yōu)化后的結(jié)果列入表1中表示，從表中可以看出，III型結(jié)構(gòu)（t=4 mm）對(duì)溫度降低最明顯，I型結(jié)構(gòu)（t=4 mm）對(duì)速度的提升最顯著。

表1　結(jié)果對(duì)比

3　結(jié)論

在3種翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)中，I型開(kāi)縫結(jié)構(gòu)中開(kāi)縫寬度t=4 mm翅片之間空氣流速最大，流速提高了18%，III型開(kāi)縫結(jié)構(gòu)中開(kāi)縫寬度t=4 mm翅片之間溫度最低，溫度降低了5%以上。翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，可以使空氣流動(dòng)狀態(tài)由單向變?yōu)槎嘞颍黾恿鲃?dòng)空氣的擾動(dòng)，削弱空氣滯留作用，達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的目的。

［1］陳啟勇，何川，高園園.大功率LED路燈散熱器自然對(duì)流的數(shù)值研究［J］.半導(dǎo)體光電，2011，（4）：498_501.

［2］Shaeri M R，Yaghoubi M，Jafarpur K.Heat transfer ana1ysis of 1atera1 perforated fin heat sinks［J］.App1ied Energy，2009，86（10）：2019_2029.

［3］Wong S，Huang G.Parametric study on the dynamic behavior of natura1 convection from horizonta1 rectangu1ar fin arrays ［J］.Internationa1 Journa1 of Heat&Mass Transfer，2013，60（5）：334_342.

［4］莊四祥，張躍宗，梁鳴娟，等.大功率LED路燈的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（4）：66_69.

［5］張萬(wàn)路，江磊，江程，等.LED道路照明燈具散熱系統(tǒng)分析［J］.中國(guó)照明電器，2009（2）：6_10.

［6］王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問(wèn)題［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（4）：123_125.

［7］杜鵑，錢(qián)作勤，陳昌，等.多種平直開(kāi)縫翅片換熱特性的數(shù)值研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，46（4）：612_617.

［8］沈佳敏，盧志明，朱成輝.空氣冷卻器開(kāi)縫翅片傳熱與流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究［J］.輕工機(jī)械，2010，28（5）：28_31.

0Ptlmlzatlon deslgn of LED lamP Wlth heat PlPe radlator

WANG Lin_xi，YU Bin，SHEN Zhong_jiang，WANG Pei_shun
（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

An air stagnation zone at the bottom of the radiator weakened the convection heat transfer of radiator.Therefore，the perforated optimization on the fin of radiator was studied.Therma1 process of three perforated structure mode1s wiht different perforated widths was simu1ated by Icepak software to obtain the distribution of temperature boundary 1ayer and ve1ocity boundary 1ayer.The resu1ts show that after air bypassed the structure of perforated fin，the f1ow state was changed from one_way to mu1ti_way，which increased the f1ow of air disturbance，the air f1ow rate between fins increased by 18%，the temperature reduced by 5%，respective1y.

heat pipe radiatorj stagnation zonejperforated finsj numerica1 simu1ation

TN305.94

A

1674_6236（2016）10_0108_03

2015_06_08稿件編號(hào)：201506085

王林習(xí)（1987—），男，河北邯鄲人，碩士研究生。研究方向：高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備。