梁才航，楊永旺，何　壯

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林　541004;2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西高校無(wú)人機(jī)遙測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

廣西 桂林　541004；3.北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司，北京　100081)

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LED路燈散熱器散熱性能的數(shù)值模擬

梁才航1,2，楊永旺1,3，何壯1

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004;2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西高校無(wú)人機(jī)遙測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

廣西 桂林541004；3.北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司，北京100081)

摘要：提高LED散熱性能是提高LED可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用數(shù)值模擬的方法對(duì)大功率LED路燈散熱器進(jìn)行散熱性能的研究。運(yùn)用Ansys Icepak軟件研究了LED散熱器的翅片高度、厚度、間距對(duì)LED結(jié)溫的影響，結(jié)合金屬熱強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)各幾何參數(shù)進(jìn)優(yōu)化。優(yōu)化后的LED散熱器翅片的質(zhì)量減少39.76%，而LED的結(jié)溫為61.33℃，仍然在正常工作溫度范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：LED散熱器；數(shù)值模擬；散熱性能

引言

隨著LED功率的提高，熱流密度的增加，使其壽命縮短，甚至燒毀芯片[1]。研究LED燈散熱器的散熱性能并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 可大大減少它的傳熱熱阻,提高LED燈的散熱能力，對(duì)改善其散熱條件和提高其可靠性意義重大。

在LED的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中，Cheng-Hung Huang等[2]采用三維逆向工程優(yōu)化一種10×10陣列散熱器，將散熱器的熱阻降低了12.98%。Tae Hoon Kim等[3]通過(guò)體積平均方法預(yù)測(cè)自然對(duì)流垂直板翅式散熱器的尺寸，研究了散熱器的翅片厚度和翅片間距。Chien-Chang Wang等[4]用有限元數(shù)值方法對(duì)散熱器的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Karathanassis等[5]研究了層流流動(dòng)的可變寬度的平板翅片散熱器散熱情況，結(jié)果證明可變寬度的翅片對(duì)散熱性能有所提高。Daeseok Jang等[6]對(duì)針狀翅片散熱器的長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使散熱器的質(zhì)量降低30%。Vítor A.F. Costa等[7]運(yùn)用CFX研究了散熱器的長(zhǎng)度、寬度、高度對(duì)LED熱阻和結(jié)溫的影響，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。徐婷婷等[8]運(yùn)用Icepak軟件對(duì)散熱器的翅片高度、間距、數(shù)量和擺放方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了在真空中的散熱性能要遠(yuǎn)差于大氣環(huán)境中的散熱性能。余桂英等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，采用ANSYS軟件研究了LED射燈的熱流功率、基座厚度、芯片間距、對(duì)流面積對(duì)散熱性能的影響。結(jié)果表明, 對(duì)流面積是影響散熱性能的最重要因素；對(duì)一定的散熱器, 存在一個(gè)有效的最大芯片輸入功率。

本文采用數(shù)值傳熱學(xué)分析方法分析大功率LED路燈散熱器幾何參數(shù)對(duì)散熱性能的影響。在自然對(duì)流條件下，對(duì)LED翅片散熱器進(jìn)行分析，分析翅片的高度、厚度、間距對(duì)散熱性能的影響，找出原始方案的不足，并提出了改進(jìn)方案。

1建立模型

1.1　軟件建模

應(yīng)用Ansys Icepak軟件進(jìn)行建模，直接調(diào)用Heatsink模塊建立散熱器模型。Mcpcb分為三層包括Cu、Polymer、Al，分別用Block模塊進(jìn)行建模。LED芯片熱源用Block模塊建立熱源。研究LED路燈的自然對(duì)流散熱情況，將Cabinet六個(gè)面設(shè)置成Opening，并且Y+大于2L，Y-大于L，其余四個(gè)方向大于0.5L，L為模型的特征長(zhǎng)度。打開輻射，設(shè)置重力方向，環(huán)境溫度30℃。自然對(duì)流散熱，Icepak根據(jù)公式(1)、(2)、(3)自動(dòng)求解出瑞利數(shù)Ra=4.61×109和普朗特?cái)?shù)Pr=0.7085，確定使用湍流Two-equation模型，Two-equation模型是Icepak中流動(dòng)計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型。對(duì)于自然對(duì)流的湍流流動(dòng)其計(jì)算的魯棒性、經(jīng)濟(jì)性以及適當(dāng)?shù)木_度使其在湍流流動(dòng)與傳熱的仿真計(jì)算中效果良好。

(1)

(2)

(3)

式中：ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度；a為流體的熱擴(kuò)散系數(shù)；g為重力加速度；β為熱膨脹系數(shù)；L為特征尺寸；ΔT為流體與壁面溫度差。

1.2　幾何模型

LED路燈總功率180W，LED路燈散熱器由5組等大的散熱器構(gòu)成，每組散熱器下方有24個(gè)LED燈珠，每個(gè)LED燈珠的功率是1.5W，光電效率為20%，熱功耗為1.5W×80%=1.2W，環(huán)境溫度為30℃。5組散熱器結(jié)構(gòu)相同，所以對(duì)1組散熱器進(jìn)行分析即可得出結(jié)果，散熱器幾何尺寸，見(jiàn)表1。散熱器幾何模型，見(jiàn)圖1。

表1　散熱器幾何尺寸

圖1　散熱器幾何模型Fig.1　Heat sink geometric model

對(duì)散熱器采用非結(jié)構(gòu)化六面體劃分網(wǎng)格如圖2所示。網(wǎng)格劃分element：151218，與element：101032網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果溫差2℃，與element：180569網(wǎng)格計(jì)算溫差0.2℃，所以采用element：151218網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究。圖3為溫度分布云圖，從圖中可知，結(jié)溫為60.16℃。

圖2　散熱器模型的網(wǎng)格劃分Fig.2　The mesh structure of the pin fin heat sink

圖3　散熱器模型溫度云圖Fig.3　Pin heat sink temperature picture

2討論分析

2.1　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將LED接通電源，用K型熱電偶連接安捷倫(Agilent 34970A)與散熱器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖4所示。并且將實(shí)驗(yàn)與環(huán)境溫差和仿真與環(huán)境溫差做誤差對(duì)比分析研究，見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，仿真誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明仿真準(zhǔn)確，可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究。

圖4　熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)Fig.4　Thermocouple test experiment

圖5　實(shí)驗(yàn)與仿真誤差分析Fig.5　Comparison between experimental and simulation temperature

2.2　對(duì)散熱器翅片高度的優(yōu)化分析

原模型翅片高度為45 mm，模擬翅片高度為35 mm，40 mm，45 mm，50 mm，55 mm，60 mm，65 mm，70 mm，75 mm，80 mm的不同情況。比較了不同翅片高度對(duì)LED芯片結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度的影響，如圖6所示。

散熱器翅片的高度發(fā)生了變化，即散熱器的質(zhì)量和面積發(fā)生了改變。由圖6可以看出翅片高度在35 mm~65 mm階段，結(jié)溫下降較快，但是當(dāng)翅片高度增長(zhǎng)到65 mm以后，結(jié)溫下降緩慢，此時(shí)再增加翅片的高度對(duì)于散熱效果不是很明顯。分析可知：翅片高度增加，有利于散熱器的散熱，并且翅片高度增加對(duì)翅片換熱面積的增大效果比對(duì)換熱系數(shù)的減小效果更顯著[10]。翅片高度增加，耗材增加，經(jīng)濟(jì)性變差。

金屬熱強(qiáng)度是指金屬散熱器內(nèi)熱媒的平均溫度與室內(nèi)空氣溫度相差1℃時(shí)，每千克質(zhì)量的金屬單位時(shí)間所散出的熱量。q值越大，說(shuō)明散出同樣的熱量所耗用金屬越少。這是衡量散熱器節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)很重要的指標(biāo)。

金屬熱強(qiáng)度方程：

(4)

式中q為散熱器的金屬熱強(qiáng)度；Q為散熱器的散熱量；ΔT為溫差；G為散熱器的質(zhì)量。

從圖6中可以看出，隨著翅片高度增加，金屬熱強(qiáng)度逐漸下降，從另外一個(gè)角度也說(shuō)明了并不是翅片的高度越高，散熱器性能就越好。由此推斷，必然存在某一高度值，使得翅片結(jié)構(gòu)的散熱性和經(jīng)濟(jì)性匹配的最好。

圖6　不同翅片高度的芯片結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度Fig.6　Different fin height of junction temperature and metal thermal intensity

2.3　對(duì)散熱器翅片厚度的優(yōu)化分析

原模型翅片厚度為0.83 mm，模擬翅片的厚度為0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm的不同情況。比較了不同翅片厚度對(duì)LED芯片結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度的影響，如圖7所示。

圖7　不同翅片厚度的芯片結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度Fig.7　Different fin thickness of junction temperature and metal thermal intensity

保證散熱器的翅片數(shù)量不變，改變翅片的厚度。由圖7可以看出，隨著翅片厚度的增加，厚度從0.5 mm~2 mm階段結(jié)溫下降，2 mm以后結(jié)溫上升，當(dāng)翅片厚度為2 mm時(shí)，結(jié)溫最低。因?yàn)殡S著翅片厚度增加，翅片效率ηf增加，換熱量增加，直到隨著厚度增加影響到了間距對(duì)散熱要求的影響時(shí)，結(jié)溫會(huì)逐漸上升，翅片效率ηf減小，換熱量減小。如圖7中所示，在翅片厚度達(dá)到3.5 mm時(shí)，翅片間距為8.9 mm，此時(shí)再持續(xù)增加翅片厚度，必然會(huì)導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)下降，結(jié)溫上升。由圖7可以看出，隨著翅片厚度增加，散熱器質(zhì)量增加，金屬熱強(qiáng)度逐漸下降。由此得出，在翅片厚度增加的過(guò)程中，會(huì)存在一個(gè)最佳的厚度達(dá)到最佳的降溫效果。

2.4　對(duì)散熱器翅片間距的優(yōu)化分析

原模型間距11.7 mm，模擬翅片間距2 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm，11 mm，12 mm，13 mm，14 mm，15 mm，16 mm的不同情況。比較了不同翅片間距對(duì)LED結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度的影響，如圖8所示。

圖8　不同翅片間距的芯片結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度Fig.8　Different fin space of junction temperature and metal thermal intensity

散熱器翅片間距發(fā)生了變化，即散熱器的質(zhì)量和對(duì)流換熱面積發(fā)生了改變。由圖8可以看出隨著翅片間距增加，翅片間距在2 mm~6 mm階段結(jié)溫下降，在6 mm之后結(jié)溫上升。隨著翅片間距增加，金屬熱強(qiáng)度逐漸上升。隨著翅片間距的增大，空氣流道變寬，浮升力相對(duì)增大，翅片間氣體流動(dòng)順暢，湍流流動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，格拉曉夫數(shù)變大，有利于翅片的對(duì)流換熱，使得結(jié)溫隨著翅片間距的增大而降低[10]。但是，當(dāng)翅片間距增大到6 mm以后，隨著翅片間距的增加，換熱表面積減小的不利影響越來(lái)越大，超過(guò)了間距的增加對(duì)翅片對(duì)流換熱的作用，使結(jié)溫呈現(xiàn)回升趨勢(shì)。表明翅片存在一間距值，使得翅片的散熱性能最好。

3結(jié)論

1)通過(guò)計(jì)算得出，Ra=4.61×109，Pr=0.7085，對(duì)散熱器模型采用湍流Two-equation方程模型求解，得出LED結(jié)溫為60.16℃，金屬熱強(qiáng)度為2.05W/(kg·℃)。

2)通過(guò)分析散熱器的翅片高度、厚度、間距對(duì)LED結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度的影響?？芍?，翅片高度低于65 mm，結(jié)溫下降較快，翅片高度高于65 mm，結(jié)溫下降緩慢；翅片厚度小于2 mm，結(jié)溫呈下降趨勢(shì)，翅片厚度大于2 mm，結(jié)溫逐漸上升；翅片間距小于6 mm結(jié)溫下降，翅片間距大于6 mm結(jié)溫逐漸上升。當(dāng)高度為65 mm，厚度為2 mm，間距為6 mm時(shí)，溫差最小，散熱性能最好，且具有良好的金屬熱強(qiáng)度。

3)考慮到散熱器對(duì)LED芯片結(jié)溫和金屬熱強(qiáng)度的影響，在保證可靠性的前提下，盡量降低散熱器質(zhì)量的原則，以體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型和節(jié)能。采取翅片厚度0.5 mm，翅片高度為45 mm，間距為8 mm，得出結(jié)溫61.33℃，溫升1.2℃，但是在燈具的可靠溫度范圍內(nèi)，散熱器翅片的質(zhì)量降低了39.76%。

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《節(jié)能照明光源新進(jìn)展》新書出版

由復(fù)旦大學(xué)電光源研究所陳育明教授和陳大華教授編著的《節(jié)能照明光源新進(jìn)展》一書，于2016年1月，由安微科學(xué)技術(shù)出版社正式出版，書號(hào)：ISBN978-7-5337-6846-1，全書391頁(yè)60萬(wàn)字，定價(jià)98元。

該書分四大篇，分別為光源與照明基礎(chǔ)、熱輻射照明光源、氣體放電照明光源和固態(tài)照明光源，力求全面涵蓋照明光源的要點(diǎn)內(nèi)容，注重反映當(dāng)前照明光源發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。本書圖文并茂，理論性、系統(tǒng)性、操作性強(qiáng)，閱后能有所受益。本書適于供廣大從事光源與照明研究生產(chǎn)的科技人員、照明設(shè)計(jì)工程師和大專院校的師生，以及其他有關(guān)人員進(jìn)行參考。

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公共照明節(jié)能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)在邯鄲召開

2016年1月8日至9日，由中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院資源與環(huán)境分院、邯鄲經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)主辦的“公共照明節(jié)能效果應(yīng)用評(píng)價(jià)指南標(biāo)準(zhǔn)工作組研討會(huì)”在邯鄲市召開。國(guó)家發(fā)改委環(huán)資司、國(guó)家節(jié)能中心、省市發(fā)改委等領(lǐng)導(dǎo)及行業(yè)專家等近100位代表參加了會(huì)議。

會(huì)上，與會(huì)人員參觀了邯鄲市道路照明及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)示范路，并就道路照明工程效果及節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)要求、照明系統(tǒng)能效評(píng)估平臺(tái)建設(shè)、第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)作用等進(jìn)行了細(xì)致的討論，提出中肯的意見(jiàn)和建議。工作組將結(jié)合本次研討會(huì)結(jié)果，盡快修改完善公共照明節(jié)能效果應(yīng)用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。

Numerical Simulation of LED Street Light Heat Sink

Liang Caihang1，2， Yang Yongwang1，3， He Zhuang1

(1.SchoolofMechano-ElectronicEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China；

2.GuilinUniversityofAerospaceTechnology,Guilin541004,China; 3.RACOBITCo.Ltd.,Beijing100081,China)

Abstract：Increased thermal performance of LED is very important to improve the reliability of LED. In the present work, thermal performances of LED heat sink are conducted using numerical simulation. Effect of the fin height, fin thickness and fin space on LED junction temperature are investigated. The geometry parameters are optimized with the metal thermal intensity. The optimal results show that the total weight of the LED heat sink fin reduced up to 39.76%. the LED junction temperature is still at 61.33℃.

Key words:LED heat sink; numerical simulation; thermal performance

通訊作者：梁才航，E-mail：lianghang@guet.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51566002)；廣西信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心課題(No.20130315)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(No.13-051-09-008Z)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.GDYCSZ201402);廣西高校無(wú)人機(jī)遙測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(No.201550625)

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.023