林雄萍， 鄭捷慶

(集美大學(xué) a. 誠毅學(xué)院; b. 福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心, 福建 廈門 361021)

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大功率LED路燈翅片散熱器的仿真優(yōu)化

林雄萍a,b， 鄭捷慶b

(集美大學(xué) a. 誠毅學(xué)院; b. 福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心, 福建 廈門 361021)

針對某大型國企現(xiàn)有的50 W LED路燈翅片式散熱器模塊，采用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，分析其自然對流情況下不同結(jié)構(gòu)小翅片，即有、無布置斜向小翅片時散熱器的溫度場，并將其通過實驗測試進(jìn)行驗證。研究過程中發(fā)現(xiàn)，對于自然對流散熱，有斜向小翅片的散熱器原型雖然在一定程度上增加了散熱面積，但卻減緩了散熱器表面空氣自然對流的上升速度，降低了自然對流的散熱量；無翅片不但有效地提高了散熱效率，更為重要的是為企業(yè)降低了制造成本。

LED； 翅片； 溫度場； 散熱； 數(shù)值模擬； 實驗測試

0 引 言

目前，我國LED的生產(chǎn)廠家眾多，隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED產(chǎn)品也從暴利時代逐漸走向微利競爭時代。因此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，節(jié)約成本成為企業(yè)的核心競爭力。雖然，熱管、微通道技術(shù)應(yīng)用于LED散熱也趨于成熟，但由于成本過高，以及從質(zhì)量穩(wěn)定性方面考慮，尚無法被市場所接受。因此，在綜合考慮企業(yè)自身的技術(shù)條件和政府的節(jié)能減排政策，眾多企業(yè)的大功率LED路燈產(chǎn)品仍采用傳統(tǒng)自然對流散熱技術(shù)。為了進(jìn)一步提高企業(yè)的產(chǎn)品競爭力，任何一個事關(guān)成本控制的改進(jìn)都能為企業(yè)提高競爭力增加籌碼。由于大多數(shù)LED生產(chǎn)企業(yè)的相關(guān)設(shè)計人員習(xí)慣性認(rèn)為增加散熱面積可以提高散熱效果，卻忽略了氣流對散熱效果的影響。因此，現(xiàn)有大部分企業(yè)的大功率LED路燈翅片散熱器布置有斜向小翅片，為了進(jìn)一步分析斜向小翅片對翅片散熱器散熱效果的影響，在不影響原有產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，擬通過對有、無斜向小翅片散熱器分別進(jìn)行仿真模擬與實驗研究，為其今后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實驗原理

1.1 LED散熱系統(tǒng)分析

目前，LED的內(nèi)光量子轉(zhuǎn)換效率還不夠高，致使無法將全部輸入的電能轉(zhuǎn)化為光能，輸入到LED的功率最多也只有30%～40%用于發(fā)光[1]，其余均以熱能的形式聚集在PN結(jié)，如果不能將熱量及時散發(fā)，就會導(dǎo)致芯片結(jié)溫上升，從而降低芯片效率和可靠性，加速芯片老化降低壽命。目前，典型的大功率LED芯片熱流密度達(dá)到100 W/cm2，超出目前微處理器熱流密度的兩倍[2]。據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LED結(jié)溫超過某一特定值后，其失效率呈現(xiàn)指數(shù)上升規(guī)律，溫度每上升1℃，可靠性下降一成[3]。如果LED工作產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)到周圍大氣環(huán)境中去，LED結(jié)溫就會不斷上升，最終將內(nèi)部器件燒毀，嚴(yán)重影響LED使用壽命。溫度過高對LED的光學(xué)性能影響包括光譜紅移、光強下降和產(chǎn)能下降等方面[4-6]，對LED的可靠性影響包括壽命下降和熱應(yīng)力操作等方面[7-8]。

1.2 散熱技術(shù)

目前大功率LED的散熱方式按照熱量被帶走的方式可分為兩類：主動式散熱和被動式散熱。主動散熱包括：風(fēng)冷、水冷、熱電制冷和熱管等。強制風(fēng)冷散熱通常指采用小型風(fēng)扇產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)，依靠強制對流的方式強化傳熱，該方法操作簡單、壽命長、易于實現(xiàn)。水冷散熱包括微通道散熱和微噴散熱[9]。熱電制冷[10]是利用帕爾貼效應(yīng)，通以直流電，就會在其中一個連接點變熱，另一個連接點變冷，也稱溫度發(fā)電現(xiàn)象。熱管散熱[11]則利用熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速傳遞性質(zhì)，通過熱管將熱量迅速傳遞到熱源外。常見的用于大功率LED散熱的被動熱管主要有平板熱管[12]、環(huán)路熱管[13]和翅片式熱管[14]技術(shù)。被動散熱方式主要包括以自然對流散熱為主的均溫板外置翅片散熱器、平板熱管散熱、回路熱管散熱和翅片式熱管散熱等技術(shù)。這種散熱器的換熱量與散熱片的面積成正比，為了提高散熱效果通常采用壓鑄或機械加工的方法將金屬合金加工成帶有翅片的散熱器，以提高散熱面積。常用的金屬材料有鋁、銅等。本散熱器即采用此被動散熱技術(shù)。

1.3 自然對流換熱基本原理

自然對流換熱[15]，指的是依靠自身溫度場不均，在無外力如風(fēng)機或者泵作用下引起的流動。LED自然對流散熱是指通過導(dǎo)熱的方式把LED芯片中的熱量導(dǎo)出，再通過高溫散熱片和空氣的自然對流換熱來散發(fā)熱量。根據(jù)對流換熱牛頓冷卻公式：

(1)

在相同平均溫差下，接觸面積A越大，換熱量就越大。為了增大自然對流的換熱量，散熱器的外表面通常都設(shè)計成帶肋片的形狀，以提高散熱面積。

2 大功率LED自然對流散熱的實驗及分析

2.1 實驗裝置

大功率LED路燈散熱器自然對流散熱實驗裝置由LED散熱器(包括24顆功率為2 W的LED燈珠)、控制電源、測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。實驗測量設(shè)備主要有TMP-1型多點溫度巡檢儀、電源、熱電偶以及固定膠。本實驗通過傳感器、多點溫度巡檢儀以及500型科學(xué)實驗工作室接口采集熱電偶的溫度信號，利用Pasco科學(xué)工作室軟件與計算，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的實時顯示與記錄，實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理框圖

2.2 實驗步驟

為了保證測量的精準(zhǔn)，將LED翅片散熱器架設(shè)于距離墻面1.5 m，并保證環(huán)境溫度為20℃，且無明顯氣流，使用照度計平均測量各個指定點的光照強度是否符合預(yù)期，在光源穩(wěn)定后測量8個點的溫度值。由于散熱器結(jié)構(gòu)呈對稱結(jié)構(gòu)，因此本實驗中選取8個特征位置點作為測試點，具體位置如圖2所示。

圖2 實驗測量及模擬仿真測試點位置分布

2.3 實驗結(jié)果及分析

采用計算機實時監(jiān)測各測試點的溫度變化，待工作穩(wěn)定后,8個測量點的測試溫度分別為48.1、46.5、37.5、31.7、28.9、28.2、31.5、30.9 ℃。從測量結(jié)果可以看出，翅片散熱器基板部份中心的溫度最高，在環(huán)境溫度控制在(20±0.5)℃的條件下，為48.1℃，由此推算芯片結(jié)溫在90℃以內(nèi)，符合上限120℃的要求，說明該產(chǎn)品滿足設(shè)計要求?？傮w來看，該散熱器的溫度分布為散熱器底部中心沿基板向外側(cè)以及頂部逐漸降低的趨勢，在散熱器的頂部達(dá)到最小溫度，為28.2℃。

針對入海水道工程的上述特點，建成應(yīng)用后，加強工程巡視檢查成為工程運行管理的重要環(huán)節(jié)，只有加強工程巡視檢查，才能對工程安全隱患做到早發(fā)現(xiàn)，早處置，早消除，確保工程安全運行，改善水環(huán)境，更好地服務(wù)于經(jīng)濟建設(shè)和人民群眾的生產(chǎn)生活需要。

3 大功率LED鑄鋁翅片式散熱器的仿真優(yōu)化

3.1 理論基礎(chǔ)與數(shù)值方法

根據(jù)計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)[16]，采用有限體積法的Icepak軟件對LED路燈的散熱器進(jìn)行模擬分析。Icepak是一款功能強大的仿真軟件，它采用Fluent求解器，專門為電子產(chǎn)品工程師定制開發(fā)的專業(yè)的電子熱分析軟件。其計算結(jié)果，有助于用戶直觀分析產(chǎn)品特性，降低設(shè)計成本，對于改良優(yōu)化產(chǎn)品性能和提高穩(wěn)定性起到很大的作用，從而為企業(yè)贏得了核心競爭力[17-18]。

以某企業(yè)的LED路燈產(chǎn)品，主要應(yīng)用于隧道照明，年產(chǎn)量約4萬盞。該原型產(chǎn)品由3個相同模塊的50 W LED燈組組成，見圖3(a)，其中單個鑄鋁模塊散熱器的結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。主體翅片散熱器整體呈現(xiàn)弧狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)布置有斜向小翅片以增強傳熱面積，提高換熱強度。

3.2 數(shù)值模擬對比及分析

3.2.1 模型準(zhǔn)確性驗證

表1給出了在8個測試點的模擬值與實驗值。從對比數(shù)據(jù)可以看出，模型的模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果有較好吻合度，模擬與實驗的總體誤差<5%，說明采用Icepak的模擬方法能較準(zhǔn)確的模擬大功率LED翅片散熱器的實際散熱情況，表明所采用的模擬方法具有一定的可行性。

(a) 散熱器整體圖

(b) 單個翅片式散熱器模塊圖

表1 8個測試點模擬值與實驗值的對比

通過模擬計算，得到有、無斜向小翅片的翅片散熱器的溫度分布對比圖，如圖4所示。兩種結(jié)構(gòu)散熱器的溫度分布均呈現(xiàn)翅根中心溫度高，向四周逐漸降低的趨勢。但兩者相比，無斜向小翅片的翅片散熱器溫度分布更均勻，特別是翅片散熱器根部的中心區(qū)域。

3.2.3 局部溫度對比

為了進(jìn)一步精確對比分析有、無小翅片對散熱效果的影響，待模擬計算收斂后，選取兩種結(jié)構(gòu)散熱器模型在相同位置各8個點進(jìn)行對比，各對比點的位置如圖5所示，對比溫度值見表2。

從表2可以看出，無斜向小翅片雖然減少了散熱器的有效散熱面積，卻一定程度上提高翅片散熱器的散熱效果，中心溫度下降幅度最大將近5%，8個點平均降低幅度達(dá)2.73%?？梢?，布置斜向小翅片不僅增加制造難度，提高了材料的消耗率，而且增加了生產(chǎn)成本，反而沒有起到應(yīng)有的散熱效果。

(a) 有斜向小翅片

圖4 有、無斜向小翅片散熱器溫度分布對比圖

(a) 有斜向小翅片

圖5 有、無斜向小翅片散熱器局部溫度對比

4 結(jié) 語

將有、無斜向小翅片對LED翅片散熱器進(jìn)行仿真優(yōu)化與實驗研究，對兩種結(jié)構(gòu)翅片散熱器的溫度場進(jìn)行對比，以及搭建實驗臺進(jìn)行實驗測試。表明，由于布置了斜向小翅片，雖然增加了翅片散熱器的散熱面積，卻阻礙翅片散熱器內(nèi)自然對流的熱空氣流動，降低了熱空氣上升的平均流速，從而降低了散熱器的散熱效果，且冗余的斜向小翅片在增加產(chǎn)品制造難度和成本的同時也增加了自重。數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)比對的結(jié)果將為其今后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Simulation Optimization of High Power LED Lamp Radiator Fins

LINXiong-pinga,b,ZHENGJie-qingb

(a. Mechanical Engineering Department, Chengyi Institute; 2. Cleaning Combustion and Energy Utilization Research Center of Fujian Province, Jimei University， Xiamen 361021, China)

In this paper, a 50 W LED lamp which was produced by a large state-owned enterprise was tested. The fin type radiator modules were compared by using numerical simulation combined with experimental study. It was found that under natural convection temperature field the small fin radiator has no advantage. The research found that for natural convection an oblique radiator fin can increase the radiating area, but slow down the air rising speed, reduced to nature. Instead, no fin radiator not only effectively improves the cooling efficiency, but also reduces the manufacturing cost for enterprises.

LED; fin; temperature field; heat dissipation; numerical simulation; experimental test

2015-12-01

福建省科技計劃重點項目(2012H0031);福建省教育廳科技項目A類(JA14367)

林雄萍(1981-)，女，福建莆田人，碩士，高級實驗師，主要從事機械類結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)研究。

Tel.：18950181998; E-mail：sunshineanan@126.com

TK 11

A

1006-7167(2016)08-0098-04