馬驗(yàn)宗，張忠山，智郁雯，陳鵬宇,嚴(yán)一民

(電子科技大學(xué) a.物理電子學(xué)院;b.通信與信息工程學(xué)院，成都 610054)

·學(xué)生實(shí)驗(yàn)園地·

大功率LED散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬驗(yàn)宗a，張忠山a，智郁雯a，陳鵬宇b,嚴(yán)一民a

(電子科技大學(xué) a.物理電子學(xué)院;b.通信與信息工程學(xué)院，成都 610054)

大功率LED與傳統(tǒng)光源相比優(yōu)勢明顯，應(yīng)用前景非常廣闊。但由于體積小，發(fā)熱集中，LED芯片不能承受高溫等原因，散熱問題成為了制約大功率LED發(fā)展的主要原因。該文結(jié)合三維模型設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer 5.0和流體傳熱分析軟件FloEFD PRO12.1對(duì)5 W的LED的散熱模型進(jìn)行建模和熱仿真，運(yùn)用控制變量的方法來探索散熱器翅片厚度、曲率及微結(jié)構(gòu)對(duì)散熱性能的影響規(guī)律，并依據(jù)規(guī)律對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

大功率LED；熱仿真；翅片；散熱器結(jié)構(gòu)；Pro/Engineer 5.0軟件

LED被譽(yù)為第四代光源， 具有傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如高效節(jié)能、超長壽命、安全系數(shù)高等。而單顆功率在1 W以上的大功率LED在工程應(yīng)用上比傳統(tǒng)的LED更具優(yōu)勢，用途更廣泛，常見的應(yīng)用場合有管道燈、交通信號(hào)燈、路燈、車燈及家用照明等?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，各國都在大力發(fā)展LED 產(chǎn)業(yè)，LED照明日趨成為主流[1]。各LED強(qiáng)國和地區(qū)的優(yōu)勢各有側(cè)重：美國在LED外延和芯片領(lǐng)域的優(yōu)勢突出，其半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)集中度比較高[2]，愛達(dá)荷州的一家創(chuàng)業(yè)公司Rohinni正在做這么一件酷炫的產(chǎn)品LightPaper——全世界最輕的LED；日本在LED襯底材料、GaN基外延層、LED散熱基板材料技術(shù)等方面走在行業(yè)前列[3]；中國臺(tái)灣地區(qū)在LED封裝技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。此外，韓國和歐盟憑借雄厚的科技實(shí)力后來居上，在LED照明和顯示中也有不俗的發(fā)展。

由于大功率LED電光轉(zhuǎn)換率不高，產(chǎn)熱集中，散熱是制約大功率LED普及的主要問題。散熱問題不解決，會(huì)導(dǎo)致發(fā)光效率降低和使用壽命縮短。

本文針對(duì)LED存在的散熱問題進(jìn)行分析，主要集中對(duì)散熱器的翅片厚度、翅片曲率、微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用三維軟件建立散熱器模型，運(yùn)用計(jì)算流體分析軟件對(duì)散熱器的性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，依據(jù)規(guī)律對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 散熱因素分析

散熱器的主要作用是將LED芯片工作中產(chǎn)生的熱量不斷導(dǎo)出并散發(fā)到周圍環(huán)境中，保證LED燈具能夠正常工作。散熱器的質(zhì)量主要取決于散熱器的熱阻。熱阻是指反應(yīng)阻止熱量傳遞能力的綜合參數(shù)，熱阻越小，散熱器導(dǎo)熱、散熱效果越好。

1.1 散熱器本身導(dǎo)熱熱阻

散熱器導(dǎo)熱熱阻可用以下公式計(jì)算：

(1)

式中，RD為散熱器本身導(dǎo)熱熱阻，℃/W;T1為與鋁基板接觸點(diǎn)處散熱器的溫度;T2為散熱器外表面平均溫度;W為LED燈總功率。

另外，根據(jù)能量守恒定律，熱平衡后的LED燈產(chǎn)生的熱量與散熱器自身導(dǎo)出的熱量是相等的，可表示為QC=QD+QZ(從燈罩散出的熱量很少，為便于分析，在此忽略不計(jì))，其中

QC=aW

(2)

(3)

式中，QC為LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量；QD為散熱器本身導(dǎo)出的熱量；T1為散熱器與鋁基板接觸點(diǎn)處的溫度；T2為散熱器外表面平均溫度；a為LED產(chǎn)熱系數(shù)；W為LED燈實(shí)際功率；b為散熱器材料綜合熱導(dǎo)率；s為散熱器平均傳熱面積；L為散熱器熱傳導(dǎo)平均距離。

對(duì)特定散熱器的b、s、L值是一定的，因此式(3)可簡化成

QD=m(T1-T2)

其中，m=bs/L，經(jīng)推導(dǎo)可知，

m(T1-T2)=aW

因此

(T1-T2)=aW/m

代入式(1)可得，RD=a/m。

由以上可以看出，對(duì)于特定散熱器，在LED燈功率一定的情況下，散熱器的熱阻是一個(gè)定值。另外，在熱阻計(jì)算中W代表的是LED的總功率，而LED在工作中,一部分功率用于發(fā)光，另一部分功率則轉(zhuǎn)換為熱能。因此，既然是計(jì)算熱阻，公式中的W換成產(chǎn)熱功率(aW)更為科學(xué)。這樣，有

RD=1/m=L/(bs)

即是說散熱器本身熱阻和電阻一樣，是一個(gè)僅跟散熱器本身參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。它與散熱器平均傳熱距離成正比，與散熱器平均傳熱面積、散熱器材料熱導(dǎo)率成反比。

1.2 散熱器表面到環(huán)境的散熱熱阻

散熱器表面到環(huán)境空氣的散熱熱阻Rs為

(4)

式中，Rs為散熱器表面到環(huán)境的散熱熱阻；T2為散熱器外表面平均溫度；T3為環(huán)境溫度；W為LED功率；a為LED產(chǎn)熱系數(shù)。

散熱器表面向環(huán)境散熱主要以對(duì)流為主，其次是輻射，熱傳導(dǎo)很小可以忽略不計(jì)。散熱器的對(duì)流及輻射散熱公式如下

QL=c(T2-T3)S

(5)

QF=d(T2-T3)S

(6)

式中，QL為散熱器表面到環(huán)境的對(duì)流散熱量；QF為散熱器表面到環(huán)境的輻射散熱量；c為散熱器周圍環(huán)境的自然對(duì)流系數(shù)；d為散熱器表面材料的輻射系數(shù)；S為散熱器外表面積；T2為散熱器表面平均溫度；T3為環(huán)境溫度。

根據(jù)能量守恒定律，LED燈熱平衡后

QC=QD+QZ=QS+QZ=QL+QF+QZ

即

aW=c(T2-T3)S+d(T2-T3)S

對(duì)于不同散熱器，當(dāng)產(chǎn)熱一定時(shí)，由式(5)和式(6)可知，散熱面積、對(duì)流系數(shù)、輻射系數(shù)越大，(T2-T3)就越小。也就是說，散熱器的散熱熱阻不僅與自身的散熱面積和散熱器表面的輻射系數(shù)有關(guān)，還與LED燈所處環(huán)境的通風(fēng)情況，即與周圍空氣的自然對(duì)流系數(shù)有關(guān)，是一個(gè)可變量。

1.3 散熱器到環(huán)境的總熱阻

散熱器的總熱阻等于散熱器本身導(dǎo)熱熱阻加上散熱器表面到環(huán)境的散熱熱阻，散熱器到環(huán)境的熱阻為：

(7)

綜上所述，散熱器的總熱阻不僅與散熱器的散熱面積、幾何尺寸、表面材料的輻射系數(shù)等自身因素有關(guān)，還受LED的產(chǎn)熱功率及周圍環(huán)境的對(duì)流系數(shù)等外部因素的影響，不是恒定的數(shù)值[4]。

優(yōu)化散熱器的散熱性能，其實(shí)質(zhì)是減少散熱器到空氣的總熱阻?？赏ㄟ^改善散熱器與空氣的接觸面積及散熱器的空氣流通性等措施來降低散熱器到空氣的熱阻?？赏ㄟ^對(duì)5 W的LED建立三維模型和熱仿真來優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)，提高其散熱性能。

2 建模和仿真

在實(shí)驗(yàn)中，使用的軟件有Pro/Engineer5.0和FloEFD.Pro12.1。Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域占有重要地位，在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可和推廣。FloEFD 是Mentor Graphics 公司Mechanical Analysis部門的通用計(jì)算流體力學(xué)軟件，可以完全嵌入三維機(jī)械 CAD 環(huán)境中，是高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，真正實(shí)現(xiàn)了仿真分析流程與設(shè)計(jì)流程的無縫結(jié)合，成為從事流動(dòng)、換熱相關(guān)產(chǎn)品開發(fā) / 設(shè)計(jì)工程師的高效工具[5]。FloEFD.Pro是FloEFD無縫集成在Pro/Engineer中的版本。

實(shí)驗(yàn)中，本文采用鋁作為主體材料，對(duì)散熱器的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如翅片曲率、翅片厚度、翅片表面結(jié)構(gòu)等進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

圖1 扇形散熱器三維模型圖

整個(gè)過程中的熱量通道由上而下是：燈珠—鋁基板—散熱器。燈珠產(chǎn)生的熱量傳遞給鋁基板，鋁基板具有均熱的作用，再將熱量均勻傳遞給散熱器，由散熱器和空氣交換熱量。

2.1 散熱性能與翅片厚度的關(guān)系

在4個(gè)散熱器中只存在厚度這一個(gè)變量，其他參數(shù)均一致，從而可以有效地對(duì)比出厚度對(duì)于整個(gè)散熱器效果的影響。散熱器參數(shù)如表1所示。

經(jīng)過FLoEFD仿真得到的數(shù)據(jù)整理得到翅片厚度與散熱器溫度的關(guān)系，如圖2所示。

表1 散熱器翅片厚度參數(shù)表

圖2 不同翅片厚度的散熱器溫度數(shù)據(jù)圖

特別說明：SG 平均值溫度(固體) 1表示燈珠表面平均溫度；SG 平均值溫度(固體) 2表示鋁基板表面平均溫度；VG 平均值溫度(固體) 1表示散熱器體積平均溫度。

在各項(xiàng)參數(shù)都一致的情況下，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著翅片厚度的增加，散熱器達(dá)到穩(wěn)定時(shí)溫度也會(huì)隨之升高，使得散熱器的散熱能力降低。分析得知：翅片厚度的選擇應(yīng)該稍薄，可選擇在0.3 mm左右。若翅片過厚，熱通道的距離會(huì)增加，熱阻就增大，散熱效果會(huì)下降，而且增加了制作散熱器的原材料，增大了成本；若翅片過薄，則不能抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊，以至于損毀散熱器[7]。

2.2 散熱性能與翅片曲率的關(guān)系

散熱器的參數(shù)如表2所示。

表2 散熱器翅片曲率參數(shù)表

經(jīng)過FLoEFD仿真得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。

對(duì)比各散熱器的散熱效果，在各項(xiàng)條件都一致的情況下，發(fā)現(xiàn)曲率越小的散熱器，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度越低，翅片垂直圓柱的散熱效果最好。由此可以得到：盡管把翅片做成一定弧度可以在有限的體積下獲得更多的與空氣的接觸面，然而彎曲的翅片也會(huì)降低自然對(duì)流系數(shù)，使得熱阻增加，總體的散熱效果反而下降，并且還增加了制作散熱器的原材料，得不償失。

圖3 不同翅片曲率的散熱器溫度數(shù)據(jù)圖

2.3 散熱性能與微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

微結(jié)構(gòu)散熱器各個(gè)參數(shù)如表3所示。

表3 散熱器翅片微結(jié)構(gòu)參數(shù)表

經(jīng)過FLoEFD仿真得到的數(shù)據(jù)整理得到翅片微結(jié)構(gòu)與散熱器溫度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同翅片表面微結(jié)構(gòu)的散熱器溫度數(shù)據(jù)圖

分析微結(jié)構(gòu)(翅片表面插入半圓柱結(jié)構(gòu))對(duì)散熱的影響。在不改變圓柱之間的圓心距時(shí)，圓柱的半徑為0.25 mm，比圓柱半徑為0.5 mm的散熱器達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度要低，但僅僅比沒有微圓柱的翅片的散熱器穩(wěn)定溫度要略低。說明散熱器的微圓柱結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了翅片的導(dǎo)熱面積，但由于微結(jié)構(gòu)引起了厚度的增加和表面的不平整，會(huì)阻礙對(duì)流系數(shù)，熱阻也會(huì)有所增加?？偟膩碚f，微結(jié)構(gòu)對(duì)散熱器的影響不是很明顯，如果要實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)，在加工方面也會(huì)有一定的難度，還會(huì)增加材料的使用，增大成本。所以，不建議采用這種微結(jié)構(gòu)。

2.4 優(yōu)化模型

結(jié)合前面3次仿真實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，本文提出了3個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的模型，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的散熱器三維模型

經(jīng)過FLoEFD仿真出來的結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化模型仿真得到的溫度數(shù)據(jù)圖

從圖6可以看出：

1)編號(hào)為D1的散熱效果是非常好的。無論是燈珠表面的平均溫度、鋁基板的表面平均溫度還是散熱器的體積平均溫度都比先前提出的模型溫度要低上1～3 K，只有326 K左右。同時(shí)也是使用鋁材較少的，在成本上有優(yōu)勢。

2)相比前者，編號(hào)D2的散熱效果更優(yōu)，主要因?yàn)槠洳捎昧烁蟮膿Q熱面。需要注意的是此種結(jié)構(gòu)的散熱器會(huì)增加鋁材的使用，成本有所提高。

3)編號(hào)D3的散熱器的總體散熱效果沒有前兩者優(yōu)良，但它的散熱器體積溫度卻是所有模型中最低的。這主要得益于自身的多孔結(jié)構(gòu)，使散熱器翅片間的空氣流動(dòng)加快，加速了熱交換。同時(shí)它的燈珠表面溫度和鋁基板表面溫度穩(wěn)定在328 K上下，也在可以接受的范圍內(nèi)。采用此種結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)好處就是可以大大地減少鋁材的使用。

3 結(jié)束語

[1]WINDER S .LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[M].謝運(yùn)翔，王曉剛，譯.北京：人民郵電出版社，2009：5.

[2]毛興武，張艷雯，周建軍，等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2008：29，30，32，34.

[3]祝大同.日本LED用高導(dǎo)熱基板材料發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)[C]//覆銅板行業(yè)協(xié)會(huì)秘書處.第十一屆中國覆銅板技術(shù)·市場研討會(huì)論文集.上海：[出版者不詳]，2010：93-100.

[4]周志敏，紀(jì)愛華.漫步LED世界(燈具設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用篇)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：81，83.

[5]何漢恩.基于FLOEFD的散熱器翅片間距仿真設(shè)計(jì)[J].硅谷，2014(8):47-49.

[6]劉祖明.圖解LED應(yīng)用從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[7]韓月.大功率LED燈具散熱器設(shè)計(jì)[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

[8]周志敏，紀(jì)愛華.大功率LED照明技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：40.

[9]LENK R ，LENK C .Practical lighting design with LEDs/LED[M].王曉剛，劉華，王佳慶，譯.北京：人民郵電出版社，2012.

Optimization Design Based on the Heat Radiation Structure of High-power LED

MA Yanzonga，ZHANG Zhongshana，ZHI Yuwena，CHEN Pengyub，YAN Yimina

(a.School of Physical Electronics；b.School of Communication and Information Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China))

Compared to the traditional light source, high-power LED retains decided advantages, along with wide application prospects. However, heat dissipation has been the major obstacle to the further development of high power LED because of its small volume, heat concentration, and bad resistance to high temperature of the LED chip. Through combining the 3D model design software Pro/Engineer 5.0 heat transfer and fluid analysis software FloEFD PRO12.1, one achieves the model and thermal simulation of 5 W LED heat cooling model. In addition, by applying the method of controlled variable，the radiator fin thickness, curvature and the effect laws of microstructure on the heat dissipation performance have further been explored, therefore enable the structure of radiator get further optimized.

high-power LED;thermal simulation; radiator fin; structure of radiator; Pro/Engineer 5.0 software

2014-12-06；修改日期:2015-01-04

電子科技大學(xué)2013年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

馬驗(yàn)宗(1994-)，男，本科在讀，專業(yè)方向?yàn)殡娮有畔⒖茖W(xué)與技術(shù)。

嚴(yán)一民(1960-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事激光與聲學(xué)技術(shù)研究工作。

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.080