大功率LED分段翅片散熱器熱設(shè)計(jì)

周俊杰　繩冉冉　李雪麗

摘 要： 針對平板翅片式散熱器存在的不足，提出一種分段翅片散熱器。基于COMSOL Multiphysics平臺，對不同分段數(shù)的分段翅片散熱器的流動傳熱過程進(jìn)行模擬。在此基礎(chǔ)上，將Matlab模糊推理工具箱與Simulink相結(jié)合，對不同結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行可靠性評估。最終得到分段數(shù)為4的散熱器換熱系數(shù)最大、可靠性最高、結(jié)構(gòu)最佳，每段翅片長度、厚度、高度、翅片間距及分段間隔分別為29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。當(dāng)入口風(fēng)速由1 m/s增大到9 m/s，分段數(shù)為4翅片散熱器的換熱系數(shù)相對于平直翅片散熱器提高了3.42%～5.47%，壓降增大了31.60%～40.85%，可靠性提高了0.2。此研究為散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞： COMSOL Multiphysics； Matlab； 分段翅片； 散熱器； 傳熱分析

中圖分類號： TN305.94?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0125?03

Abstract： Aiming at the insufficiency of the flat plate fin heat sink， a discrete plate fin heat sink is proposed. The flowing heat transfer process of the discrete plate fin heat sink with different segments is simulated on the basis of COMSOL Multiphysics platform. On this basis， the Matlab fuzzy inference toolbox is combined with Simulink to evaluate the reliability of heat sinks with different structures. It is obtained that the heat sink with four segments has the maximum heat transfer coefficient， highest reliability， and optimal structure. The fin length， thickness， height， space and subsection gap are 29 mm， 4 mm， 40 mm， 10 mm and 3 mm respectively. When the wind speed at inlet is increased from 1 m/s to 9 m/s， in comparison with the flat plate fin heat sink， the heat transfer coefficient of the discrete plate fin heat sink with four segments is increased by 3.42%～5.47%， its pressure drop is increased by 31.60%～40.85%， and its reliability is increased by 20%. This study provides the theoretical basis and a reference for optimization design of the heat sink structure.

Keywords： COMSOL Multiphysics； Matlab； discrete plate fin； heat sink； heat transfer analysis

0 引 言

平板翅片式散熱器以其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在大功率LED熱管理中被廣泛采用，并得到國內(nèi)外學(xué)者的一致認(rèn)同。Byung?Ho Kim，梁才航等人做了大量的關(guān)于平板翅片式散熱器散熱性能的研究工作，對于平板翅片散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（基板厚度、翅片厚度、間距、數(shù)量、布置方式）等進(jìn)行了大量的優(yōu)化研究[1?5]。但從散熱器自身的結(jié)構(gòu)考慮，平板翅片式散熱器中平行排列的翅片使得通過散熱器的氣流變得更加均勻，這對強(qiáng)化換熱是不利的。針對平板翅片式散熱器的不足，研究者們開發(fā)出了許多其他翅片結(jié)構(gòu)形式的散熱，如鋸齒形[6]、翅柱形[7]、打斷翻折型[8]、分段形[9?10]。分段翅片散熱器由于阻力小、結(jié)構(gòu)簡單而受到工程師們的喜愛。文獻(xiàn)[9?10]比較了分段翅片和普通平板翅片的散熱性能，得出分段翅片的換熱系數(shù)隨流速的變化更強(qiáng)烈，且換熱性能優(yōu)于普通平板翅片。但是以上文獻(xiàn)并未對分段翅片散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此本文在對不同分段數(shù)翅片散熱器的流動傳熱過程進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，將Matlab模糊推理工具箱與Simulink相結(jié)合，對不同結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行可靠性評估，最終得出最佳分段數(shù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

1.2 計(jì)算區(qū)域及計(jì)算方法

由于散熱器各個(gè)通道內(nèi)的流動狀況基本相同，在兩種散熱器中各取一個(gè)通道為計(jì)算區(qū)域，如圖2所示。計(jì)算區(qū)域的兩個(gè)側(cè)面為翅片的中心對稱面。假設(shè)通道內(nèi)的流動為三維、穩(wěn)態(tài)、不可壓的紊流流動。計(jì)算采用的方法為SIMPLE算法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]模型并與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法結(jié)合。動量、能量、紊動能及紊流耗散率控制方程中對流項(xiàng)的離散格式均采用具有二階精度的QUICK格式。

1.3 邊界條件

邊界條件選取為：進(jìn)口邊界給定流體的平均速度，并取等溫邊界條件，溫度為293.15 K；自由出流，與運(yùn)行環(huán)境無壓差；翅片底面采用固定熱流量壁面邊界條件，底面熱流密度為100 000 W·m-2；通道兩外側(cè)壁設(shè)為絕熱邊界，采用無滑移壁面條件；流固耦合面上的邊界條件的設(shè)置按照壁面函數(shù)法確定。采用共軛計(jì)算方法，物性參數(shù)分別給定，其中固體域用純鋁作材質(zhì)，流體域?yàn)榭諝狻?

2 不同分段數(shù)翅片散熱器模擬結(jié)果分析

對分段數(shù)為2～5的翅片散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到Z=0截面處不同分段數(shù)翅片散熱器的溫度云圖如圖3所示（Z=0截面是指散熱基板與分段翅片接觸的平面）。

由圖3可以看出，分段間隔處的溫度相對于翅片上的溫度較低，這是由于在分段間隔處有冷空氣進(jìn)入，促進(jìn)了流體的混合，減少了漩渦死滯區(qū)，增強(qiáng)了空氣與翅片間的對流傳熱速度。并且，分段數(shù)為2～5的散熱器翅片上的最大溫度分別為344 K，330 K，300 K，304 K。說明隨著分段翅片數(shù)目的增多，翅片上的最大溫度先逐漸降低，后增大。這是由于隨著分段數(shù)的增多，進(jìn)入翅片間隔處的冷空氣流量將會增大，從而使散熱得到強(qiáng)化。但是當(dāng)分段數(shù)目增大到一定程度后，繼續(xù)增大分段數(shù)，就會導(dǎo)致散熱面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致散熱器的散熱效果下降。

圖4表明不同分段數(shù)的散熱器換熱系數(shù)都隨入口速度的增加而增大，并且增大幅度逐漸減小；在同一入口速度下，隨著分段數(shù)的增多，換熱系數(shù)先逐漸增大后減小，當(dāng)分段數(shù)為4時(shí)換熱系數(shù)達(dá)到最大。當(dāng)入口風(fēng)速由1 m/s增大到9 m/s，分段數(shù)為4翅片的換熱系數(shù)相對于平直翅片提高了3.42%～5.47%。說明并不是翅片分段數(shù)越多，越有利于提高換熱效率，對于每種結(jié)構(gòu)的散熱器都存在最佳的分段數(shù)。由圖5可以看出，不同分段數(shù)的散熱器壓降都隨入口速度的增加而增大，并且增大幅度逐漸增大；在同一入口速度下，隨著分段翅片數(shù)量的增多，壓降整體上呈現(xiàn)出上升趨勢。分段數(shù)為5翅片的壓降相對于分段數(shù)為4翅片增大了6.96%～16.29%，分段數(shù)為4翅片的壓降相對于原始翅片增大了31.60%～40.85%。

3 散熱器可靠性評估

采用Matlab中的模糊推理工具箱，對不同結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行可靠性評估。選用換熱系數(shù)h、熱阻R、進(jìn)出口壓降ΔP作為3個(gè)輸入變量，將可靠性作為輸出變量，輸入變量的隸屬度函數(shù)都選用梯形，輸出變量的函數(shù)選用高斯型。將模糊工具箱與Simulink相結(jié)合，對不同結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行仿真，確定各自的可靠性。當(dāng)入口速度為3 m/s時(shí)，不同結(jié)構(gòu)散熱器的輸入變量見表2。模糊規(guī)則瀏覽如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算，平直翅片散熱器的可靠性為0.4，分段數(shù)為2～5的散熱器可靠性分別為0.4，0.5，0.6，0.5。根據(jù)模糊規(guī)則可知，平直翅片和分段數(shù)為2的翅片散熱器可靠性“一般”，分段數(shù)為3，4，5的散熱器可靠性都為“較好”。對翅片進(jìn)行分段處理能夠提高散熱器的可靠性，當(dāng)分段數(shù)較少時(shí)，并不能快速提高散熱器的可靠性，但當(dāng)分段數(shù)超過一定值時(shí)，繼續(xù)增大分段數(shù)，可靠性反而會降低。對于本例，分段數(shù)為4散熱器的可靠性最高。

結(jié)合對不同分段數(shù)散熱器的的溫度場、換熱系數(shù)、壓降和可靠性的分析可以確定分段數(shù)為4的散熱器結(jié)構(gòu)最佳，每段翅片長度、厚度、高度、翅片間距及分段間隔分別為29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。

4 結(jié) 論

本文建立平板翅片式散熱器的三維計(jì)算模型，比較分析了不同分段數(shù)散熱器的散熱性能。結(jié)果表明，分段間隔處的溫度相對于翅片上的溫度較低。在同一入口速度下，隨著分段數(shù)的增多，壓降整體上呈現(xiàn)出上升趨勢，換熱系數(shù)先逐漸增大后減小。分段數(shù)為4的散熱器翅片上的最高溫度最低、換熱系數(shù)最大、可靠性最高、結(jié)構(gòu)最佳，每段翅片長度、厚度、高度、翅片間距及分段間隔分別為29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。當(dāng)入口風(fēng)速由1 m/s增大到9 m/s時(shí)，分段數(shù)為4翅片的換熱系數(shù)相對于平直翅片提高3.42%～5.47%，壓降增大31.60%～40.85%，可靠性提高0.2。

參考文獻(xiàn)

[1] KIM B H， MOON C H. Comparison of the thermal performance of the multichip LED packages [J]. IEEE transactions on components， packaging and manufacturing technology， 2012， 2（11）： 1832?1837.

[2] LI Jingsong， YANG Qingxin， NIU Pingjuan， et al. Optimization design and analysis of high?power LED heat radiator based on genetic algorithm and Matlab simulation [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2013， 28（2）： 213?220.

[3] 王明霞，周俊杰.多排陣列大功率LED的ICEPAK熱設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（2）：113?115.

[4] 梁才航，楊永旺.LED路燈散熱器散熱性能的數(shù)值模擬[J].照明工程學(xué)報(bào)，2016，27（1）：124?128.

[5] 李紅月，張建新.大功率LED平板型翅片散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].天津工業(yè)大學(xué)報(bào)，2013，32（5）：38?42.

[6] 周仝，辛?xí)苑?鋸齒形翅片散熱器風(fēng)冷性能試驗(yàn)研究[J].電子機(jī)械工，2013，29（4）：5?8.

[7] 余小玲，馮全科，馮健美.高效翅柱復(fù)合型散熱器的流動與散熱性能研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（11）：1114?1118.

[8] 伊麗娜，鄭文龍，王博杰，等.新型CPU散熱器內(nèi)空氣流動與換熱特性的數(shù)值研究[J].制冷技術(shù)，2015，35（1）：36?40.

[9] 陸正裕，熊建銀，屈治國，等.CPU散熱器換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（5）：861?863.

[10] 李斌，陶文銓，何雅玲.電子器件空氣強(qiáng)制對流冷卻研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（11）：1241?1245.