基于Solidworks Flow Simulation的板翅式換熱器基板溫度場優化研究

方飛龍，黃立軍，唐美玲

（杭州萬向職業技術學院 智能技術系，浙江 杭州 310023）

1 引言

近年來，隨著大功率LED逐步應用于照明領域，解決散熱問題已成為其大規模應用的先決條件。對于現有的LED光效水平而言，輸入電能的70%～80%轉變成為無法借助輻射釋放的熱量，而且LED芯片尺寸很小，如果散熱不良，則會使芯片溫度升高，引起熱應力分布不均、熒光粉激射效率下降。

目前，功率型白光LED的光效已超過1 10l m/W，為實現照明所需的光通量要求，一方面可進一步提高芯片的輸入功率；另一方面可以將多個芯片按陣列模塊的方式封裝在一起。兩種方法均會使LED的熱流密度急劇增加，單個芯片的輸入功率越大，成本就越高；因此，多個芯片按陣列模塊的方式封裝在一起成為解決大功率應用的主要方法。而對于多芯片封裝的LED，展向熱阻是基板抵抗熱流量（每單位時間芯片的發熱量）產生溫差的熱屬性和度量，它是影響整個LED散熱性能的重要因素。溫差越大，展向熱阻越大，這種大的溫度梯度將會使材料產生大的熱應力，進而使光輸出質量下降，甚至導致LED失效，因此小的展向熱阻對于LED獲得更好的熱特性和光性能來說是必要的。當芯片位置得到有效布設時，基板的最高溫度變低，最低溫度變高；因此溫度場變均勻，其展向熱阻也變小，LED的整體散熱性能就得到改善。

為了改善板翅式換熱器基板的溫度場分布，在不改變芯片位置（保證LED光輸出質量）的前提下，研究不同翅片間距與翅片高度比條件下基板溫度場和展向熱阻、翅片溫度場和換熱系數的分布特征及變化規律，進而基于此規律對翅片結構尺寸進行改進，以達到優化基板溫度場之目的。

2 計算模型

2.1 物理模型

選擇文獻[11]中的LED路燈作為模擬原型，其結構形式如圖1所示，整體尺寸為600 mm×160 mm×35 mm，其中，基板的長（）、寬（）、厚（）分別為600 mm、160 mm、5 mm，翅片的長（）、高（）、厚（）分別為600 mm、30 mm、3 mm。基板和翅片材料為鋁合金，熱導率為201 W·m·K。

圖1 LED路燈結構示意圖

基板底部共布設了20個LED模塊，分成四排布設：中間兩排為3 W的LED模塊，每個模塊內部含3個1 W的芯片；另外兩排為5 W的LED模塊，每個模塊內部含5個1 W的芯片，芯片總電功率為80 W，而由文獻[11]可知，有87%的電功率轉換為熱量，故總共產生69.6 W的熱量，如圖2所示。

圖2 芯片布設位置示意圖

2.2 計算工況

在翅片長度一定的條件下，翅片間距與翅片高度的比值是影響翅片間流動特征和翅片換熱性能的關鍵。本文總共研究了9種工況，其主要計算參數見表1。

表1 計算工況表

2.3 數值方法及邊界條件

數值模擬區域為3.5 m3左右的開放空間，LED及散熱器位于該空間正中央。因此，計算區域包括固體區域和流體區域兩部分。對固體區域，由于不存在對流，僅求解能量方程，且能量方程中無對流項。模型采用六面體網格，對芯片、翅片間隙等細微結構處進行加密。計算時，為考慮換熱表面升溫對空氣運動和換熱的影響，將所有氣固交界面處理為耦合壁面。基板放置LED芯片處，根據芯片尺寸和功率，按第二類邊界條件加載均勻的熱流密度。外部開放空間處理為非封閉的自由流體邊界，設定為一個標準大氣壓，環境溫度為常溫，考慮重力影響。

為獲得網格無關解，利用工況8進行網格無關性檢驗。Solidworks Flow Simulation中采用的是一種網格自適應技術，將網格分為1～8共8個等級（level）。采用兩種網格方案計算：當網格等級為4，最小網格間距為1 mm，總網格數140 181，計算104步收斂；當網格等級為5，最小網格間距為1 mm，總網格數247 444，計算126步收斂。

兩套網格計算結果對比圖如圖3所示，從圖中看出兩套網格溫差計算百分比小于1.69%，可以認為當網格等級為4，設定最小網格間距為1mm時的網格數量已滿足計算要求，后續的計算均采用等級4。

圖3 兩套網格計算結果對比圖

3 溫度分布特征

3.1 基板溫度變化規律

工況7基板溫度計算結果如圖4所示。

圖4 工況7基板溫度分布圖

由圖4可以看出，在工況7條件下，基板表面最高溫度為325.45 K，最低溫度為321.52 K，溫差3.93 K。由于LED芯片功率密度大，受其布設位置的影響，基板溫度以熱源（芯片位置）處最高，并以此為中心向四周近似呈輻射狀遞減分布。同時，芯片功率越大，對應位置的基板溫度越高。根據基板溫度場的分布特征可以推想，如果保持整個散熱結構的散熱功率不變，通過調整翅片的結構參數，使得芯片所在位置處對應的散熱器翅片的換熱功率更大，則必然能降低基板的最高溫度，從而使得基板的溫度場分布更加均勻。

3.2 翅片溫度變化規律

翅片平均溫度、平均換熱系數隨翅片間距高度比的變化規律分別如圖5、圖6所示。

圖5 翅片平均溫度隨S/H比值的變化

圖6 翅片平均換熱系數隨S/H比值的變化

由圖5可以看出，在翅片間距高度比≤0.35范圍內，不同位置處翅片的平均溫度隨著比值的增大而減小，且減幅逐漸減小。此外，受基板溫度場非均勻分布的影響，距離芯片越近的翅片，其平均溫度也相對更高。通常，在芯片功率一定的情況下，翅片表面的平均溫度越高，則翅片的散熱效果越差。圖5表明當翅片、、等結構參數一定時，翅片的散熱性能隨著翅片間距的增大而提高。應當指出，整個散熱結構的散熱效果取決于散熱面積和散熱表面的換熱系數，隨著翅片間距的增大，翅片數量減少、散熱面積也隨之減小，但其散熱性能卻得到提高，這是因為翅片的換熱系數隨著翅片間距的增大而增大，如圖6所示。同時，結合圖5、圖6可以發現，當翅片間距增大到一定程度（>0.2）后，翅片換熱系數隨著增大而增大的幅度逐漸減小，而此時散熱面積隨著增大而減小對散熱性能的影響開始不容忽視，因此盡管進一步增大，但整體散熱性能幾乎不再改善。此外，由圖6還可以看出，不同工況下最外側翅片的換熱系數均明顯大于內部翅片，這是因為和翅片間槽道相比，外部空間流動阻力小，空氣流動快、對流強度更大。可見，流場結構是影響自然對流散熱性能的關鍵因素之一。

不同比值條件下翅片槽道間（=0 m）的流場結構圖如圖7所示。由圖7可以看出，在一定的情況下，越大，翅片間槽道的流動阻力越小，外部空氣能更順暢地從側面進入翅片間槽道，帶走翅片表面的熱量，從而提高翅片的散熱性能。

圖7 不同S/H比值條件下翅片槽道間（x=0 m）的流場結構

此外，從邊界層理論也能解釋翅片換熱系數隨比值變化的規律。不同比值條件下翅片槽道間（=0 m）的流場和溫度分布圖如圖8所示。可以發現，當翅片間距較小（=0.15）時，翅片間的熱邊界層在槽道中很快相交，兩個熱邊界層互相影響，導致外部空氣難以進入到翅片之間，此時翅片的平均換熱系數小、散熱效率低；當翅片間距進一步增大（= 0.25），翅片間的熱邊界層在整個翅片高度范圍內也不會相交，此時翅片的散熱性能明顯提高。結合圖7和圖8可以預見，隨著比值的進一步增大，翅片換熱系數的提高將逐漸趨于平緩，當達到某一極限值后，翅片換熱系數將保持不變。

圖8 不同S/H比值條件下翅片槽道間（z=0 m）的流場和溫度分布

4 流場結構特征

工況7、8、9（=0.25、0.30、0.35）的流場結構圖分別如圖9～11所示。

圖9 工況7（S/H=0.25）剖面流場結構

圖10 工況8（S/H=0.30）剖面流場結構

圖11 工況9（S/H=0.35）剖面流場結構

由上可以看出，翅片表面附近的空氣受熱升溫，在浮力效應作用下向上運動，為保持流場的連續性，外部空氣將從兩側進入翅片間的槽道補充到原熱空氣的位置，從而在整個空間內形成自下而上的自然對流。其中，在翅片間的槽道內（即平面）形成一種類似于“單煙囪”型的流場結構，如圖9 b、10 c所示；而在平面，流態呈“多煙囪”結構，如圖9 a所示。應當指出，翅片間距不同，“多煙囪”流態的具體結構也略有差別，如工況7（=0.25）、工況8（=0.30）和工況9（=0.35），剖面中的煙囪結構數量均不同。但不同工況下，處于“煙囪”結構中央位置的空氣流速明顯較兩個“煙囪”接合部的空氣流速大。

不同工況下各槽道散熱表面的換熱系數如圖12所示。由圖可以看出，各槽道散熱表面的換熱系數呈波浪狀分布。

圖12 不同工況下各槽道散熱表面的換熱系數

進一步結合圖9可以發現，在“多煙囪”流態的煙囪結構中央位置，空氣流速相對較大，對應位置處翅片的平均溫度低，槽道散熱表面的換熱系數高；而在兩個“煙囪”的接合部，空氣流速相對較小，對應位置處翅片的平均溫度高，槽道散熱表面的換熱系數低。可見，槽道散熱表面的換熱系數變化規律與流場結構是相互匹配的。

5 基板厚度的影響

=0.15時不同基板厚度條件下翅片的平均溫度分布如圖14所示。

由圖13可以看出，基板越厚，翅片的平均溫度越低，且翅片間的溫差越小，基板厚度為3 mm、5 mm時翅片間最大溫差分別2.75 K和2.11 K，可見，基板越厚，不僅散熱性能更好，且散熱結構的溫度場更均勻。

圖13 不同基板厚度下翅片的平均溫度

6 翅片長度L的影響

保持基板尺寸和翅片、、不變，分別使翅片平行于軸和軸布設，對應的翅片長度分別為300 mm、75 mm。兩種工況下翅片的比值分別為10、2.5，對應的總散熱面積分別為0.182 25 m、0.171 m，相差約6.6%。不同比值條件下基板溫度場分布如圖14所示。

圖14 不同L/H比值條件下基板溫度分布

由上可以看出，盡管兩種比值下翅片的總散熱面積相差不大，但其基板的溫度分布差異顯著。=10工況的基板最高溫度為349.67 K，比=2.5工況的基板最高溫度334.64 K高出近15 K，前者基板的最大溫差8.8 K，后者基板的最大溫差7.8 K。可見，在其他參數相同的情況下，越小的翅片，散熱性能越好、且基板溫度場更均勻。

=10工況下剖面的流場結構如圖15所示。對比圖10可以發現，隨著比值的增大，翅片間槽道內（剖面）的流場結構由單煙囪流態轉變為多煙囪流態，從而惡化了翅片表面的熱交換，使得其散熱性能下降。

圖15 工況5（L/H=10）流場結構圖

圖15 工況5（L/H=10）流場結構圖（續）

7 結束語

1）保持整個散熱結構的散熱功率不變，通過調整翅片的結構參數，使得芯片所在位置處對應的散熱器翅片的換熱功率更大，則必然能降低基板的最高溫度，從而使得基板的溫度場分布更加均勻。

2）在翅片間距高度比≤0.35范圍內，不同位置處翅片的平均溫度隨著比值的增大而減小，且減幅逐漸減小。此外，受基板溫度場非均勻分布的影響，距離芯片越近的翅片，其平均溫度也相對更高。

3）流場結構是影響自然對流散熱性能的關鍵因素之一，槽道散熱表面的換熱系數變化規律與流場結構是相互匹配的。

4）基板越厚，不僅散熱性能更好，且散熱結構的溫度場更均勻。

5）在其他參數相同的情況下，越小的翅片，散熱性能越好，基板溫度場更均勻。

6）翅片間距很小的情況下，保持芯片位置不變，將芯片位置對應處的翅片數量減少，這樣可以顯著增加芯片位置處翅片間距與翅片高度的比值，可以大大改善基板溫度場分布。

7）翅片間距稍大，根據煙囪位置調整芯片位置，可以達到進一步優化的目的。

8）翅片間距很大，翅片的平均換熱系數基本無變化，通過改變翅片高度增大換熱面積來達到優化溫度場的目的，由前面算例統計結果可知，找出平均換熱系數基本不變的翅片間距與高度比，在此基礎上改變翅片高度，進行最終優化。