基于icepak的LED散熱片的數值模擬及分析

廖丹

【摘 要】本文利用icepak軟件對LED散熱片的溫度分布進行了數值模擬，得到功率增加時會使得底面溫度近似直線上升，并分析了肋片的厚度、間距和高度對其散熱效果的影響。

【關鍵詞】icepak；LED散熱片；數值模擬

0 前言

發光二極管，英文全稱為Light Emitting Diode（LED），其布局為一個電致發光的半導發體原料，放置在某個架子上，其內安排了引線，繼而四周用樹脂密封，起到保護里面部件的目的，達到LED的抗震效果比傳統的燈泡佳。LED光電轉換效能控制在百分之十五至百分之二十之間，剩下的電能幾近變換為熱能，所以在LED電器作業時，還會發生很多熱量需要散發出去，否則會影響LED路燈的使用壽命等。

LED存在嚴重光衰的現象，關鍵原因是溫度，造成了LED路燈光衰的主要原因。光衰這種失效是指LED發出的光強度不高于新開發的電器，光衰水平早已是評估LED照明商品壽命的重要指數。光衰失效的原因有很多，在這里我們主要討論溫度對光衰的影響。

LED的散熱形式有自然對流散發熱量、加裝電扇強迫散發熱量、熱管散發熱量等[2-3]。其中，電扇強迫對流散熱需要安裝電扇，對于一些小型LED來說，較為不變，也增加了生產和維護成本；熱管散熱成本較高，技術還有待開發。因此，用處最多的還是自然對流散熱。本文通過icepak對LED的散熱片進行了自然對流的數值模擬分析。

1 研究對象

市場上銷售的發光二極管路燈一般是把PN結產生的熱能經過底座-焊錫-焊鋁板電路層-傳熱絕熱層-鋁覆銅箔層壓板（即鋁基板）-傳熱硅橡膠密封墊片-鋁制冷卻器，最后在空氣中散熱，這樣的一個過程完成了散熱的全部經過。為了滿足計算精度和電腦計算資源的需求，在本實驗中自然對流換熱過程中的大空間為3400×3400×3400mm。

圖1所示是發光二極管路燈鋁型材散熱器，是本文研究的物理模型結構示意圖。其結構基板尺寸為240mm×206mm×4mm，肋板厚度是3mm，中間最大的間距為15mm，其余均為10mm，肋板高度從中間到外側依次為30mm。

2 數值模擬及結論分析

物理模型在仿真模擬的過程中，本文作出如下假定情況：1）忽略輻射傳熱的影響；2）空氣流動是定常；3）空氣在散熱器壁面處于無滑移的；4）冷卻器基板底面看做熱源；5）冷卻器和空氣的物理參數是固定不變的數值；6）冷卻器肋板材料均勻，穩態；7）大空間中的空氣符合Boussinesq近似；8）冷卻器放置在環境溫度為為20℃的大空間中。

本模擬網格劃分全部由Icepak自帶網格處理工具完成。網格數為4.5萬，節點為47萬，間隙間布置為3，按1：2的比例布置，邊界布置為2。面對齊率為0.67（大于0.15）。選用常用的標準к-ε模型湍流模型，5個常數取值分別為：c1=1.44，c2=1.92，c？滋=0.09，？滓k=1.0，？滓？著=1.3[1]。

在迭代求解的過程中，迭代步殘差要小于給定量為計算收斂的前提，1e-07是能量殘差，連續性值為0.0001。

本模擬的邊界條件設置如下：肋片表面為無滑移邊界條件，而計算域空間的六個面均設為opening。

當熱源功率從30W逐漸增加到110W時，肋板平均溫度以及底面最高溫度將隨之增加，近似線性關系。具體結果見圖2所示：

圖3顯示了數值模擬結果的溫度分布及流場示意圖，從中可以看出冷卻器肋板的溫度是分層分布的，與空氣接觸的頂端散熱效果比較理想，溫度也比較低，溫度梯度也比較小。而隨著與底板熱源接觸的越近，溫度較高，溫度梯度也比較大。

3 優化分析

為了優化發光二極管路燈散熱器的散熱構造，本文需要對肋板三個因素進行分析包括：厚度、間距和高度，每個因素設置5個數值。模擬結果如圖4所示。

通過本文模擬實驗，在30W的熱源功率情況下，可以看出肋板厚度對冷卻器的散熱影響最大，肋板間距次之，最后是肋板的高度。通過以上模擬實驗可以的得出，在一定的情況范圍內，冷卻器的肋板厚度和間距越小，發光二極管路燈的散熱效果就越好，反而肋板的高度沒什么明顯的作用，在本實驗中可以看出在尺寸分別是厚度3mm、間距10mm和高度為35mm時散熱器模型的散熱效果最佳，但是肋板厚度和間距越小的同時也要考慮實際加工過程的困難程度，要從實際出發。

4 結論

本文通過icepak軟件對LED散熱片的溫度分析進行了數值模擬，可以看出當熱源功率增加時，肋板平均溫度以及底面最高溫度將隨之增加，并呈現近似線性關系。還通過對比不同的肋片厚度、間距和高度的模擬結果，得出肋板厚度對冷卻器的散熱影響最大，肋板間距次之，最后是肋板的高度。

【參考文獻】

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.

[2]陳啟勇.LED路燈散熱器自然對流研究[D].重慶大學，2011.

[3]劉靜，劉春生.大功率LED照明器的熱設計[J].光學與光電技術，2008，6（5）：91-93.

[責任編輯：田吉捷]endprint