大功率LED翅片式散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

張海娟，諶琪，盧晨燕，鄒勇

大功率LED翅片式散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

張海娟1，諶琪2，盧晨燕2，鄒勇2

（1. 安徽馬鞍山工業(yè)學(xué)校 數(shù)控系，安徽 馬鞍山 243000；2. 安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

利用Fluent軟件對大功率LED的平行翅片散熱器進行模擬，分別研究了基板尺寸、厚度及翅片高度、間隔、厚度對散熱效果的影響．結(jié)果表明，增大基板尺寸、增大翅片高度、適當(dāng)?shù)亟档统崞g距（增加翅片數(shù)量）和適當(dāng)?shù)販p小翅片厚度均能有效增大散熱面積，從而改善LED芯片散熱，但前兩者的改善作用都基于增大散熱器體積，增加了成本，而后兩者的取值不宜過小．通過仿真，優(yōu)化得到了較為合適的散熱器參數(shù)．

大功率LED；平行翅片散熱器；散熱器優(yōu)化

為了降低LED的結(jié)溫，僅改善LED的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料來提升導(dǎo)熱效率是不夠的，還需要為LED設(shè)計外部散熱裝置來降低結(jié)溫．近年來，隨著LED更廣泛地應(yīng)用于日常生活，LED的功率越來越高，功率的提升對散熱性能提出了更高的要求，越來越多的散熱技術(shù)應(yīng)用于散熱器的制造中．目前，廣泛應(yīng)用的散熱技術(shù)主要有：自然對流散熱、強迫對流散熱、液體冷卻散熱、熱電制冷散熱、熱管散熱等．

散熱器的散熱性能與其和空氣接觸的面積有關(guān)，又考慮到材料成本，所以在工業(yè)生產(chǎn)中一般采用翅片散熱器，其中最常見的為鋁及其合金或者銅材料制作的翅片散熱器．翅片散熱器的散熱性能與翅片的高度、寬度、厚度等參數(shù)都有密切的關(guān)系[1]．對不同的大功率LED照明燈具的散熱進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對散熱器表面進行工藝處理[2]，合理選擇散熱器的材料[3-4]和優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計[5-10]均能提高大功率LED燈具的散熱效果．胡明鈺[11]等采用極差分析法得出了不同散熱器參數(shù)對片式COB光源結(jié)溫的影響程度由大到小為：翅片片數(shù)、翅片高度、翅片長度、翅片厚度、翅片間距、基底厚度，對成本（散熱器體積）的影響程度由大到小為：翅片片數(shù)、翅片長度、翅片厚度、基底厚度、翅片高度、翅片間距．

大功率的LED照明裝置由于采用的是全鋁熱沉散熱結(jié)構(gòu)，主要是通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導(dǎo)和鋁熱沉的熱傳導(dǎo)方式將熱量散發(fā)到空氣中來進行散熱[12]．趙偉[13]等通過數(shù)值模擬對平行微細通道熱沉進行研究，結(jié)果表明，通過通道錯位排列導(dǎo)流的熱沉具有較低的壓降和熱面平均溫度．

王海民[14]等對比了高度、直徑和間距分別為15，0.1，0.5 mm和15，1，5 mm的純銅絲針肋散熱器在相同邊界條件的散熱和流動阻力特性，分析發(fā)現(xiàn)前者散熱性能高6%，但是后者通過增加絲徑和擴大間距進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，阻力損失大幅降低，并且在工藝上也容易實現(xiàn)．本文對平行翅片散熱器，運用數(shù)值模擬的方法對其散熱特性進行研究，并對散熱器的翅片進行優(yōu)化設(shè)計，尋找合適的散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，為散熱器的實際應(yīng)用提供參考．

1 平行翅片散熱器模型

散熱器模型由LED、基板和平行翅片構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖1．LED熱功耗為1 W．忽略LED的上表面和側(cè)面的熱量損失，LED產(chǎn)生的熱量通過LED底面?zhèn)魅肷峄澹搴统崞斜砻媾c空氣進行熱交換，從而散熱．將空氣的自由對流換熱系數(shù)設(shè)定為15 W/m2·K，LED的材料設(shè)為GaN，導(dǎo)熱率為65.6 W/m·K，基板和翅片的材料均設(shè)定為鋁，導(dǎo)熱率為202.4 W/m·K．

圖1 平行翅片散熱器模型

2 數(shù)值模擬過程

在LED工作時，熱量的傳遞有３種基本方式，即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射．本例中已經(jīng)給定LED的熱功耗，無需再考慮輻射傳熱，LED與散熱器固體接觸區(qū)域采用標準的共軛傳熱耦合模式求解[15]．計算中只涉及LED產(chǎn)生的熱量在散熱器中的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱過程中滿足傅里葉定律．其能量方程為

散熱器表面與周圍空氣通過自然對流交換的熱量可以用牛頓冷卻公式來計算

（2）

3 結(jié)果與分析

3.1 基板尺寸對LED芯片散熱的影響

散熱翅片采用厚度為1 mm，間隔1 mm，高度5 mm的平行翅片組．基板厚度為1 mm保持不變，基板表面為正方形，正方形的邊長在7~25 mm范圍變化．設(shè)計了9種不同尺寸的基板進行仿真．結(jié)果顯示，當(dāng)基板邊長為7 mm時，散熱器的熱阻較大，導(dǎo)致LED的結(jié)溫較高，此種散熱器在實際生產(chǎn)中不宜采用．除該模型外，其他散熱器的熱阻較小，均能達到散熱要求．

基板尺寸與熱阻及散熱器體積、面積之間的關(guān)系見圖2．由圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基板邊長小于15 mm時，熱阻隨基板尺寸的增加而大幅降低，之后再增加基板尺寸，熱阻降低幅度減小．由圖2表明，散熱器的體積與散熱面積近似同比增長．因此，增大基板尺寸的方式無法得到體積小而散熱面積大的散熱器．

3.2 基板厚度對LED芯片散熱的影響

對基板邊長為13 mm的模型，LED芯片結(jié)溫還是比較高．保持基板面積不變，改變其厚度，其他參數(shù)都保持不變，研究基板厚度對散熱的影響．

基板厚度與散熱器體積、面積以及熱阻的關(guān)系見圖3．從圖3可以發(fā)現(xiàn)，增大基板的厚度，較大程度上增加了散熱器的體積，但散熱面積沒有明顯的提升，散熱器熱阻無明顯降低，對降低芯片結(jié)溫效果不明顯．因此，基于成本的考慮，增大基板厚度的方式不可行．

圖2 基板尺寸與散熱器體積、面積及熱阻的關(guān)系

圖3 基板厚度與散熱器體積、面積及熱阻的關(guān)系

3.3 翅片高度對LED芯片散熱的影響

選擇基板規(guī)格為15 mm×15 mm×1 mm，改變翅片高度，對翅片高度分別為3，4，5，6，7 mm的散熱器進行建模分析，結(jié)果見圖4．

由圖4發(fā)現(xiàn)，隨著翅片高度的等量增大，散熱器體積和面積呈直線增加，但熱阻降低的幅度卻逐漸減小，即熱阻的減少量逐漸變小．由此說明，散熱翅片相對于散熱器尺寸較小時，增大翅片高度能有效地降低散熱器熱阻，翅片高度越大，則翅片高度的增加對熱阻的影響就越小．

翅片高度增大能增大散熱面積，降低芯片結(jié)溫，但同時散熱器體積也隨之增大．由圖4可見，增大翅片高度將使散熱器體積和散熱面積同比增長．因此，增大翅片高度也無法得到體積小散熱面積大的散熱器．

3.4 翅片間距對LED芯片散熱的影響

選擇基板較大的散熱器（基板尺寸25 mm×25 mm×1 mm）作為參考，翅片厚度為1 mm保持不變，模型的翅片間隔設(shè)為0.5，1.5，2，2.5，3 mm，對應(yīng)翅片數(shù)分別為17，13，10，9，8，7個．

圖4 翅片高度與散熱器體積、面積及熱阻的關(guān)系

圖5 翅片間距與散熱器體積、面積及熱阻的關(guān)系

當(dāng)翅片間距大于1.5 mm時，隨著翅片間距的增大，散熱器的體積與面積呈直線減小，而熱阻增加的幅度逐漸變大，即熱阻的增加量變大．說明適當(dāng)減小翅片間距，增加翅片數(shù)量，對熱阻的降低有較為明顯的作用．

當(dāng)翅片間距小于1.5 mm時，隨著翅片間距的等量減小和翅片數(shù)量的增加，散熱器體積與面積的增加幅度變大，即體積與面積的增加量變大，對應(yīng)的熱阻也迅速降低．但若一味降低翅片間距增加翅片數(shù)量，當(dāng)翅片間距過小時，與空氣接觸部分的對流傳熱將會受影響，反而不能有效地降低散熱器熱阻．

3.5 翅片厚度對LED芯片散熱的影響

同樣選擇基板尺寸為25 mm×25 mm×1 mm的散熱器作為參考，并保持翅片間隔固定為1 mm，設(shè)計翅片的厚度為0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm，仿真結(jié)果見圖6．

圖6 翅片厚度與散熱器體積、面積及熱阻的關(guān)系

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)翅片的厚度減小時，散熱器體積減小，散熱面積增大，對應(yīng)熱阻減小．由此得出，盡量減小翅片厚度能獲得體積小散熱面積大的散熱器．由圖6顯示，隨著翅片厚度的減小，散熱面積增加幅度逐漸變大．當(dāng)翅片厚度在2.0~1.0 mm之間時，熱阻降低幅度最大，此后再減小翅片厚度，對熱阻的影響將變小．綜合分析，翅片厚度為1 mm最合適．

4 結(jié)論

本文利用Fluent對大功率LED的散熱器進行模擬，系統(tǒng)研究了不同基板尺寸、厚度，翅片高度、間隔、厚度的散熱效果．得到結(jié)論：

（1）增大基板尺寸（整體加大散熱器體積）與增大翅片高度都能改善LED芯片散熱，但其改善作用都是建立在增大散熱器耗材的基礎(chǔ)上．因此，在制造過程中要綜合考慮這２項參數(shù)．基于分析得到，當(dāng)基板尺寸小于15 mm時，熱阻對基板尺寸的變化較為敏感；當(dāng)翅片高度大于5 mm時，增大翅片高度對改善散熱作用并不明顯．

（2）增大基板厚度將大幅度地增大散熱器耗材，且對降低芯片結(jié)溫起很小的改善作用，得不償失．因此，增大基板厚度無法得到散熱面積大、體積小的理想散熱器．而適當(dāng)減小翅片厚度既能增大散熱面積，又能減小體積，降低熱阻，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出，翅片最佳厚度為1 mm．

（3）減小翅片間距（增加翅片數(shù)量）將增加散熱面積，從而有效地改善芯片散熱，但翅片間距過小，又會影響對流傳熱，所以一味減小翅片間距增加翅片數(shù)量，并不能有效地降低散熱器熱阻．

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Structure design and simulation of fin radiator for high power LED

ZHANG Haijuan1，SHEN Qi2，LU Chenyan2，ZOU Yong2

（1. Department of Numerical Control，Anhui Ma′anshan Industry School，Ma′anshan 243000，China；2. School of Math and Physics，Anhui University of Technology，Ma′anshan 243000，China）

Fluent is used to simulate the parallel fin radiator of high-power LED. The influence of substrate size， thickness，fin height，spacing and thickness on the heat dissipation effect is studied. The results show that increasing substrate size，increasing the fin height，reducing fin spacing（increasing the number of fin）and reducing fin thickness can effectively increase the heat dissipation area，thereby improving LED chip cooling effect，but the former two are based on the increase of radiator volume and the cost，the value of others should not be too small. The optimized radiator parameters are obtained through simulation.

high power LED；radiator with parallel fin；radiator optimization

TK172

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.011

1007-9831（2020）03-0061-04

2019-09-20

安徽高校自然基金重點項目（KJ2018A0051）；安徽工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項目（2018jy41）；安徽工業(yè)大學(xué)省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（201810360349，201810360351）

張海娟（1981-），女，安徽太和人，高級講師，碩士，從事模具設(shè)計研究．E-mail：haijuandf@163.com

鄒勇（1981-），男，安徽太和人，講師，博士，從事電子設(shè)備散熱設(shè)計研究．E-mail：zyay2004@163.com