梁 融，聶宇宏，聶德云，姚壽廣

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 引言

隨著大功率發(fā)光二極管(LED)越來越廣泛的應(yīng)用,其相比于傳統(tǒng)照明光源的優(yōu)勢已經(jīng)受到廣泛認可。但在LED的發(fā)光過程中，是靠PN結(jié)中的電子發(fā)生躍遷產(chǎn)生光能，在其發(fā)光光譜中不含紅外部分，故其產(chǎn)生的熱量不能靠輻射散發(fā)。目前，LED只有20%左右的電能轉(zhuǎn)化為光能[1，2]，其余的能量都轉(zhuǎn)化為了熱能。而LED的工作壽命和其芯片溫度關(guān)系密切。因此如何快速高效的帶走芯片發(fā)出的熱量，是LED燈具設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]?，F(xiàn)階段國內(nèi)外諸多學(xué)者對LED的散熱結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬和實驗研究[4]，劉雁潮和劉靜等人分別利用Icepak軟件對大功率LED路燈進行建模仿真,研究了肋間距，肋厚度，換熱面積等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

本文以強化LED散熱器的散熱效率為目標，對家用LED燈具散熱器的自然對流冷卻過程進行了研究。采用CFD軟件對散熱器在自然對流的大空間內(nèi)的換熱過程進行了耦合數(shù)值傳熱計算。根據(jù)計算結(jié)果，提出了LED散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

2 散熱器模型幾何尺寸及計算模型

2.1 散熱器模型幾何尺寸

現(xiàn)有是家用LED燈具散熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體參數(shù)列于表1。

圖1 現(xiàn)有LED散熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 LED radiator

表1 散熱器尺寸Table 1 Radiator size

2.2 計算模型及邊界條件

計算域由散熱器本身和其周圍的空氣域組成,分別定義散熱器為固體域,周圍空氣為流體域。為了保證散熱器在自然對流的模擬中的準確性，空氣流動計算域必須取的足夠大[5]，這樣大空間的邊界條件就能取為壓力入口邊界條件。數(shù)值模擬時可以近似把問題看成三維，穩(wěn)態(tài)，常物性，有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱和對流熱耦合問題[6，7]。由于是模擬自然對流，考慮溫差而引起的浮升力作用，所以在計算中引入了Boussinesq假設(shè)[8]。

針對物理模型，列主要控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

邊界條件取為：大空間為壓力進口，散熱器基板底面根據(jù)不同功率給定熱流邊界，而肋片與空氣接觸的計算面，為自然對流換熱耦合計算面，在固體邊界上 對速度取無滑移邊界條件(no-slip boundary condition)，即在固體邊界上流體的速度等于固體表面的速度。

3 散熱器散熱特性計算結(jié)果及分析

圖2為圖1所示的燈具在功率為5W時，計算得到的散熱器表面的溫度分布。為方便分析，表2列出了不同功率下，原型散熱器的基板溫度、傳熱系數(shù)和熱阻。

圖2 原型散熱功率5W時溫度分布Fig.2 Temperature distribution when the power is 5W

散熱器的整個散熱過程是其本身的導(dǎo)熱和肋片與空氣間對流換熱的耦合過程，由于LED家用燈具的功率一般在5W～15W左右，所以肋片表面溫度一般不會超過100℃，故輻射傳熱可以忽略[9]。而就對流和固體導(dǎo)熱而言，對流換熱熱阻更大，對溫度的影響更顯著，而對流換熱阻與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)成反比，所以，可以通過分析表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，來分析基板的最高溫度[10]，衡量散熱器的效率。從計算結(jié)果可以看出,現(xiàn)有散熱器的散熱能力不強，在10W的功率下基板溫度已達到了334K，這主要是由于單個肋片的長度較長，空氣進入肋片后，形成的熱邊界層阻礙了熱量傳遞。為了在不增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，不額外增加物理化學(xué)手段的前提下，強化散熱器的散熱能力，對散熱器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。為了減小熱邊界層的厚度，在原有的肋片形式上，采用開縫的方法，使連續(xù)的肋片變成斷開型的，從而達到減薄邊界層的目的。

表2 散熱器模擬結(jié)果Table 2 Simulation result of radiator

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后散熱特性分析及計算

根據(jù)以上的分析，對現(xiàn)有LED散熱器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，方案結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，具體尺寸列于表3。

圖3 優(yōu)化后的設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Design scheme after optimization

表3 優(yōu)化后的散熱器尺寸Table 3 Radiator size after optimization

針對優(yōu)化后的散熱器結(jié)構(gòu)，分別在功率分別為5W，7W，10W的情況下，進行了數(shù)值模擬研究，溫度的計算結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 方案一功率為5W時溫度分布Fig.4 Scheme 1:temperature distribution

圖5 方案二功率為5W時溫度分布Fig.5 Scheme 2:temperature distribution

從圖2、圖4和圖5 的對比中可以看出，在5W的情況下，不同的散熱器結(jié)構(gòu)對基板最高溫度有較大的影響。為便于分析，圖6給出了三種結(jié)構(gòu)形式基板最高溫度隨功率的變化圖。

圖6 三種散熱器基板最高溫度隨功率變化圖Fig.6 The highest temperature variation with power

從圖6中可以看到，優(yōu)化后方案一的基板溫度最低。圖7為三種散熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨功率變化圖。

圖7 三種散熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨功率變化圖Fig.7 Heat transfer coefficient variation with power

從圖7中可以看出，對于同一種形式的散熱器，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本不隨功率的變化而變。這是因為，隨著功率的提高，對流換熱量Q提高的同時，散熱器表面平均溫度T也提高，從而使得其與周圍冷卻介質(zhì)的溫差ΔT提高。所以根據(jù)h=Q/AΔT，兩者共同作用，使得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)無明顯變化。 而方案一的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與現(xiàn)有換熱器相比，提高了30%。

從圖6、圖7中還可以看到，對于不同散熱器的結(jié)構(gòu)形式，基板溫度都隨著功率增加而增加，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本不變，這是符合實際情況的。優(yōu)化后的方案一在各功率下散熱情況都是最優(yōu)的，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與現(xiàn)有的散熱器相比提高了30%，使得傳熱熱阻變小，從而基板溫度最低，這在散熱器的實際收益中是顯而易見的。所以對于本文研究的散熱器進行開縫形式的模型優(yōu)化是可取的。但優(yōu)化后的方案二的傳熱系數(shù)增加很小，但熱阻卻變大，基板最高溫度也比現(xiàn)有的散熱器高。這是因為，開縫導(dǎo)致有效的散熱面積減小，(h1A1)>(h3A3),導(dǎo)致R3>R1。所以在追求h變大的同時，也要考慮A的減小帶來的影響，故存在最佳開縫面積，從而使得(hA)最大，達到最佳的改進方案。

5 結(jié)論

(1)自然對流條件下，散熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，且不隨功率增減而變化。

(2)通過對三種散熱器結(jié)構(gòu)的模擬和分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后方案一的散熱效果最好，肋片斷開在一定程度上有助于強化散熱。

(3)斷開式肋片散熱器可以提高對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但并不是開縫越多越好，要綜合考慮開縫帶來的散熱面積的損失。只有綜合考慮兩者的變化，才能控制總熱阻的變化，只有總熱阻變小，才能使得基板溫度降低，達到實際的收益效果。

[1] 王海鷗.認識照明LED[J].中國照明電器，2004,2,2～3.

[2] 陳啟勇.LED路燈散熱器自然對流研究[D].重慶大學(xué),2011：5～30.

[3] Arik M,Petroski J,Weaver S.Thermal challenges in the future generation solid state lighting application:light emitting diodes[A].IEEE 8th intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems[C].2002:113～120.

[4] 高圓圓.GH_4型LED路燈散熱器傳熱研究[D].重慶大學(xué),2011：10～25.

[5] David G.Pelka,Kavita Patel.An overview of LED applications for general illumination.Proceedings.Of SPIE[C].5186(2004):15～26.

[6] J.Y.Tsao,Ed..Lighting emitting diodes(LEDs)for general illumination update 2002,Optoelectronics Industry Development Association,Washington D.C.[C].2002.

[7] Ⅲ-Vs Review.Improving LED heat dissipation[J].International Journal of Thermal Sciences,2011,3.

[8] L.Dialameh,M.Yaghoubi,O.Abouali.Natural convection from an array of horizontal rectangular thick fins with short length[J].Thermal Engineering,2008,28：2371～2379.

[9] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].第三版，北京：北京高等教育出版社，2003.

[10] 劉一兵，黃新民，劉國華.基于功率型LED散熱技術(shù)的研究[J].照明工程學(xué)報，2008,19(1):69～73.