大功率LED路燈翅片散熱器的仿真優化

林雄萍， 鄭捷慶

(集美大學 a. 誠毅學院; b. 福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心, 福建 廈門 361021)

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大功率LED路燈翅片散熱器的仿真優化

林雄萍a,b， 鄭捷慶b

(集美大學 a. 誠毅學院; b. 福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心, 福建 廈門 361021)

針對某大型國企現有的50 W LED路燈翅片式散熱器模塊，采用數值模擬和實驗研究相結合的方法，分析其自然對流情況下不同結構小翅片，即有、無布置斜向小翅片時散熱器的溫度場，并將其通過實驗測試進行驗證。研究過程中發現，對于自然對流散熱，有斜向小翅片的散熱器原型雖然在一定程度上增加了散熱面積，但卻減緩了散熱器表面空氣自然對流的上升速度，降低了自然對流的散熱量；無翅片不但有效地提高了散熱效率，更為重要的是為企業降低了制造成本。

LED； 翅片； 溫度場； 散熱； 數值模擬； 實驗測試

0 引 言

目前，我國LED的生產廠家眾多，隨著LED技術的發展，LED產品也從暴利時代逐漸走向微利競爭時代。因此，在保證產品質量的前提下，節約成本成為企業的核心競爭力。雖然，熱管、微通道技術應用于LED散熱也趨于成熟，但由于成本過高，以及從質量穩定性方面考慮，尚無法被市場所接受。因此，在綜合考慮企業自身的技術條件和政府的節能減排政策，眾多企業的大功率LED路燈產品仍采用傳統自然對流散熱技術。為了進一步提高企業的產品競爭力，任何一個事關成本控制的改進都能為企業提高競爭力增加籌碼。由于大多數LED生產企業的相關設計人員習慣性認為增加散熱面積可以提高散熱效果，卻忽略了氣流對散熱效果的影響。因此，現有大部分企業的大功率LED路燈翅片散熱器布置有斜向小翅片，為了進一步分析斜向小翅片對翅片散熱器散熱效果的影響，在不影響原有產品基本結構的基礎上，擬通過對有、無斜向小翅片散熱器分別進行仿真模擬與實驗研究，為其今后的結構改進提供理論依據和數據基礎。

1 實驗原理

1.1 LED散熱系統分析

目前，LED的內光量子轉換效率還不夠高，致使無法將全部輸入的電能轉化為光能，輸入到LED的功率最多也只有30%～40%用于發光[1]，其余均以熱能的形式聚集在PN結，如果不能將熱量及時散發，就會導致芯片結溫上升，從而降低芯片效率和可靠性，加速芯片老化降低壽命。目前，典型的大功率LED芯片熱流密度達到100 W/cm2，超出目前微處理器熱流密度的兩倍[2]。據實驗發現，當LED結溫超過某一特定值后，其失效率呈現指數上升規律，溫度每上升1℃，可靠性下降一成[3]。如果LED工作產生的熱量不能及時散發到周圍大氣環境中去，LED結溫就會不斷上升，最終將內部器件燒毀，嚴重影響LED使用壽命。溫度過高對LED的光學性能影響包括光譜紅移、光強下降和產能下降等方面[4-6]，對LED的可靠性影響包括壽命下降和熱應力操作等方面[7-8]。

1.2 散熱技術

目前大功率LED的散熱方式按照熱量被帶走的方式可分為兩類：主動式散熱和被動式散熱。主動散熱包括：風冷、水冷、熱電制冷和熱管等。強制風冷散熱通常指采用小型風扇產生循環風，依靠強制對流的方式強化傳熱，該方法操作簡單、壽命長、易于實現。水冷散熱包括微通道散熱和微噴散熱[9]。熱電制冷[10]是利用帕爾貼效應，通以直流電，就會在其中一個連接點變熱，另一個連接點變冷，也稱溫度發電現象。熱管散熱[11]則利用熱傳導原理與相變介質的快速傳遞性質，通過熱管將熱量迅速傳遞到熱源外。常見的用于大功率LED散熱的被動熱管主要有平板熱管[12]、環路熱管[13]和翅片式熱管[14]技術。被動散熱方式主要包括以自然對流散熱為主的均溫板外置翅片散熱器、平板熱管散熱、回路熱管散熱和翅片式熱管散熱等技術。這種散熱器的換熱量與散熱片的面積成正比，為了提高散熱效果通常采用壓鑄或機械加工的方法將金屬合金加工成帶有翅片的散熱器，以提高散熱面積。常用的金屬材料有鋁、銅等。本散熱器即采用此被動散熱技術。

1.3 自然對流換熱基本原理

自然對流換熱[15]，指的是依靠自身溫度場不均，在無外力如風機或者泵作用下引起的流動。LED自然對流散熱是指通過導熱的方式把LED芯片中的熱量導出，再通過高溫散熱片和空氣的自然對流換熱來散發熱量。根據對流換熱牛頓冷卻公式：

(1)

在相同平均溫差下，接觸面積A越大，換熱量就越大。為了增大自然對流的換熱量，散熱器的外表面通常都設計成帶肋片的形狀，以提高散熱面積。

2 大功率LED自然對流散熱的實驗及分析

2.1 實驗裝置

大功率LED路燈散熱器自然對流散熱實驗裝置由LED散熱器(包括24顆功率為2 W的LED燈珠)、控制電源、測量和數據采集系統三部分組成。實驗測量設備主要有TMP-1型多點溫度巡檢儀、電源、熱電偶以及固定膠。本實驗通過傳感器、多點溫度巡檢儀以及500型科學實驗工作室接口采集熱電偶的溫度信號，利用Pasco科學工作室軟件與計算，實現實驗數據的實時顯示與記錄，實驗系統原理如圖1所示。

圖1 實驗系統原理框圖

2.2 實驗步驟

為了保證測量的精準，將LED翅片散熱器架設于距離墻面1.5 m，并保證環境溫度為20℃，且無明顯氣流，使用照度計平均測量各個指定點的光照強度是否符合預期，在光源穩定后測量8個點的溫度值。由于散熱器結構呈對稱結構，因此本實驗中選取8個特征位置點作為測試點，具體位置如圖2所示。

圖2 實驗測量及模擬仿真測試點位置分布

2.3 實驗結果及分析

采用計算機實時監測各測試點的溫度變化，待工作穩定后,8個測量點的測試溫度分別為48.1、46.5、37.5、31.7、28.9、28.2、31.5、30.9 ℃。從測量結果可以看出，翅片散熱器基板部份中心的溫度最高，在環境溫度控制在(20±0.5)℃的條件下，為48.1℃，由此推算芯片結溫在90℃以內，符合上限120℃的要求，說明該產品滿足設計要求。總體來看，該散熱器的溫度分布為散熱器底部中心沿基板向外側以及頂部逐漸降低的趨勢，在散熱器的頂部達到最小溫度，為28.2℃。

針對入海水道工程的上述特點，建成應用后，加強工程巡視檢查成為工程運行管理的重要環節，只有加強工程巡視檢查，才能對工程安全隱患做到早發現，早處置，早消除，確保工程安全運行，改善水環境，更好地服務于經濟建設和人民群眾的生產生活需要。

3 大功率LED鑄鋁翅片式散熱器的仿真優化

3.1 理論基礎與數值方法

根據計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)[16]，采用有限體積法的Icepak軟件對LED路燈的散熱器進行模擬分析。Icepak是一款功能強大的仿真軟件，它采用Fluent求解器，專門為電子產品工程師定制開發的專業的電子熱分析軟件。其計算結果，有助于用戶直觀分析產品特性，降低設計成本，對于改良優化產品性能和提高穩定性起到很大的作用，從而為企業贏得了核心競爭力[17-18]。

以某企業的LED路燈產品，主要應用于隧道照明，年產量約4萬盞。該原型產品由3個相同模塊的50 W LED燈組組成，見圖3(a)，其中單個鑄鋁模塊散熱器的結構如圖3(b)所示。主體翅片散熱器整體呈現弧狀結構，內側布置有斜向小翅片以增強傳熱面積，提高換熱強度。

3.2 數值模擬對比及分析

3.2.1 模型準確性驗證

表1給出了在8個測試點的模擬值與實驗值。從對比數據可以看出，模型的模擬結果與實驗測量結果有較好吻合度，模擬與實驗的總體誤差<5%，說明采用Icepak的模擬方法能較準確的模擬大功率LED翅片散熱器的實際散熱情況，表明所采用的模擬方法具有一定的可行性。

(a) 散熱器整體圖

(b) 單個翅片式散熱器模塊圖

表1 8個測試點模擬值與實驗值的對比

通過模擬計算，得到有、無斜向小翅片的翅片散熱器的溫度分布對比圖，如圖4所示。兩種結構散熱器的溫度分布均呈現翅根中心溫度高，向四周逐漸降低的趨勢。但兩者相比，無斜向小翅片的翅片散熱器溫度分布更均勻，特別是翅片散熱器根部的中心區域。

3.2.3 局部溫度對比

為了進一步精確對比分析有、無小翅片對散熱效果的影響，待模擬計算收斂后，選取兩種結構散熱器模型在相同位置各8個點進行對比，各對比點的位置如圖5所示，對比溫度值見表2。

從表2可以看出，無斜向小翅片雖然減少了散熱器的有效散熱面積，卻一定程度上提高翅片散熱器的散熱效果，中心溫度下降幅度最大將近5%，8個點平均降低幅度達2.73%。可見，布置斜向小翅片不僅增加制造難度，提高了材料的消耗率，而且增加了生產成本，反而沒有起到應有的散熱效果。

(a) 有斜向小翅片

圖4 有、無斜向小翅片散熱器溫度分布對比圖

(a) 有斜向小翅片

圖5 有、無斜向小翅片散熱器局部溫度對比

4 結 語

將有、無斜向小翅片對LED翅片散熱器進行仿真優化與實驗研究，對兩種結構翅片散熱器的溫度場進行對比，以及搭建實驗臺進行實驗測試。表明，由于布置了斜向小翅片，雖然增加了翅片散熱器的散熱面積，卻阻礙翅片散熱器內自然對流的熱空氣流動，降低了熱空氣上升的平均流速，從而降低了散熱器的散熱效果，且冗余的斜向小翅片在增加產品制造難度和成本的同時也增加了自重。數值模擬和數據比對的結果將為其今后的結構改進提供了理論依據和數據基礎。

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Simulation Optimization of High Power LED Lamp Radiator Fins

LINXiong-pinga,b,ZHENGJie-qingb

(a. Mechanical Engineering Department, Chengyi Institute; 2. Cleaning Combustion and Energy Utilization Research Center of Fujian Province, Jimei University， Xiamen 361021, China)

In this paper, a 50 W LED lamp which was produced by a large state-owned enterprise was tested. The fin type radiator modules were compared by using numerical simulation combined with experimental study. It was found that under natural convection temperature field the small fin radiator has no advantage. The research found that for natural convection an oblique radiator fin can increase the radiating area, but slow down the air rising speed, reduced to nature. Instead, no fin radiator not only effectively improves the cooling efficiency, but also reduces the manufacturing cost for enterprises.

LED; fin; temperature field; heat dissipation; numerical simulation; experimental test

2015-12-01

福建省科技計劃重點項目(2012H0031);福建省教育廳科技項目A類(JA14367)

林雄萍(1981-)，女，福建莆田人，碩士，高級實驗師，主要從事機械類結構設計與優化技術研究。

Tel.：18950181998; E-mail：sunshineanan@126.com

TK 11

A

1006-7167(2016)08-0098-04