姚壽廣, 李春濤,陳 勇

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

LED照明技術(shù)相比傳統(tǒng)照明方式有著壽命長、發(fā)光效率高、無污染、能耗低等特點(diǎn)[1-2]．近年來已經(jīng)有很多國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)散熱器進(jìn)行了研究,LED燈的結(jié)溫影響燈具的使用壽命,結(jié)溫高則壽命越短[3].通過改變燈具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如肋片長度、厚度、數(shù)量等,可以降低接結(jié)溫[4]．文獻(xiàn)[5]中通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)在肋片表面開孔增加了散熱效果;文獻(xiàn)[6]中優(yōu)化了針翅徑向散熱片的散熱性能和質(zhì)量,質(zhì)量降到了原來的30%;文獻(xiàn)[7]中在平行翅片型散熱器上開縫,改善了散熱器溫度場和速度場的協(xié)同性,且減小了散熱器的熱阻．文獻(xiàn)[8]是運(yùn)

用正交實(shí)驗(yàn)法,設(shè)計(jì)了一款新型散熱器．翅片參數(shù)達(dá)到最優(yōu),文獻(xiàn)[9]中分析了幾何因素對(duì)型材散熱器散熱的影響,通過改變散熱器的幾何參數(shù)降低了散熱器的熱阻,獲得了較好的散熱效果．

文中在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步圍繞某型LED燈具散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,分別以肋片形狀、肋片個(gè)數(shù)、肋片厚度、肋片高度對(duì)芯片結(jié)溫與散熱性能的影響進(jìn)行研究,以期獲得滿足該型散熱器散熱要求的肋片個(gè)數(shù)、厚度、高度的取值范圍．最后綜合最小熱阻及最輕質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)得出該型LED燈具散熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)．

1 散熱器參數(shù)對(duì)散熱器散熱的影響

文中分析的LED燈具參數(shù)見表1,三維實(shí)體視圖見圖1．

表1 某型LED燈具的幾何尺寸Table 1 Geometric size of a certain type LED lamp

圖1 某型LED燈具三維視圖Fig.1 Three dimensional view of a certain typeof LED lamps

文獻(xiàn)[10]中，在建立分析模型可靠性的基礎(chǔ)上,通過散熱器肋片溫度場及外空間流場的詳細(xì)計(jì)算和分析,獲得了肋片溫度分布及肋片周邊冷卻氣流流場及溫度場分布,初步分析了散熱器散熱特性,指出了該型LED燈具散熱器存在的不足與問題,文中在此基礎(chǔ)上以表1中模型的參數(shù)作為基礎(chǔ),通過控制變量法進(jìn)一步考察分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器散熱的影響規(guī)律．

1.1 直肋片與彎肋片對(duì)散熱器散熱的影響比較

首先，將環(huán)縱彎曲肋片與環(huán)縱直肋片進(jìn)行比較,邊界條件設(shè)置如下:在散熱器周圍選取足夠大的空間作為空氣流動(dòng)計(jì)算區(qū)域,設(shè)置環(huán)境溫度為30℃,燈珠與鋁基板接觸面設(shè)為等熱流邊界條件,每個(gè)燈珠功率設(shè)為0.8 W,燈珠表面除熱源面以外設(shè)置為絕熱壁面,燈罩內(nèi)鋁基板表面由于封閉空間空氣不流通設(shè)置為絕熱壁面,其余與空氣接觸的壁面按耦合面定義，即在固體邊界上流體的速度等于固體表面的速度.

氣固耦合邊界上連續(xù)條件為：

(1)

式中：Kcond為固體的導(dǎo)熱系數(shù)；nwf為換熱表面的外法線；qconv是局部傳遞的熱量；hconv為局部對(duì)流換熱系數(shù)；Tf為流體溫度；Tw為壁面溫度．邊界條件設(shè)置如圖2．

圖2 邊界條件設(shè)置示意Fig.2 Schematic of the boundary conditions

模擬出的散熱器溫度場結(jié)果見圖3、4．

圖3 彎肋片的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of curved rib

圖4 直肋片的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of straight rib表2 兩種散熱器散熱對(duì)比Table 2 Comparison of heat sink for 2 kinds of radiator

散熱器最高結(jié)溫/K肋片表面平均溫度/℃散熱面積/m2等效平均傳熱系數(shù)(W·m-2·K-1)環(huán)縱彎曲肋片34053.50.0253.3環(huán)縱直肋片342.856.50.0232.9

根據(jù)表2可知：環(huán)縱彎曲肋片相比于環(huán)縱直肋片,對(duì)流散熱面積增加了8.6%,最高結(jié)溫下降了2.8℃，等效平均傳熱系數(shù)增加了14.2%,對(duì)比圖3、4的散熱器的溫度分布，得出了環(huán)縱曲肋片比直肋片有更好的溫度分布和梯度變化,環(huán)縱彎曲肋片有更好的散熱能力．

1.2 肋片數(shù)量對(duì)散熱器散熱的影響

文中散熱器的肋片數(shù)量按整數(shù)分角,肋片數(shù)量n取20、24、30、36、40．為了更加直觀地比較不同數(shù)量的肋片與最高結(jié)溫T的關(guān)系，繪制了曲線(圖5)．

圖5 肋片個(gè)數(shù)與芯片最高結(jié)溫關(guān)系Fig.5 Rib number and chip maximum junctiontemperature relationship

通過模擬結(jié)果可以得出不同數(shù)量肋片的散熱器的溫度分布規(guī)律基本一致．從圖5可知，當(dāng)肋片數(shù)量達(dá)到36時(shí),繼續(xù)增加肋片數(shù)量,結(jié)溫反而上升．這是由于肋片數(shù)目的增加,減少了肋片間流體通道的截面積,影響了空氣流速,最終影響了散熱效果．為了保證散熱效果肋片的數(shù)目應(yīng)選取36左右．

1.3 肋片厚度對(duì)散熱器散熱的影響

比較肋片厚度對(duì)散熱器散熱影響時(shí),肋片厚度與上文肋片數(shù)量的變化都會(huì)影響到流體通道的截面積,原模型肋片數(shù)量限制了肋片厚度的取值范圍,為了更加直觀地觀察出肋片厚度變化對(duì)散熱器散熱效果的影響,文中肋片數(shù)量取24作為研究基礎(chǔ),由于肋片厚度d受到工藝限制,最小厚度取1 mm，其余厚度取1.2、1.4、1.6、1.8、2、2.2、2.4 mm，散熱器其他參數(shù)不變．

通過模擬結(jié)果得出不同厚度的肋片,溫度分布規(guī)律基本一致．從芯片到肋片肋端,溫度逐漸降低,芯片附近溫度梯度較大,熱量沿著散熱器基座及肋片長度方向傳遞．圖6可知，隨著肋片厚度增加,肋片的溫度與結(jié)溫首先顯著下降,當(dāng)厚度達(dá)到2.2～2.4 mm時(shí)肋片間距非常小,造成流體粘滯作用非常明顯,對(duì)流受到極大的限制,影響散熱器的散熱效果．為了使相鄰兩肋片的熱邊界層不互相干擾,必須保證足夠的空隙,肋片厚度過大,不僅影響散熱還使得質(zhì)量增加．但考慮到散熱器肋片采用鋁擠壓工藝成型,厚度不能小于1mm,綜上肋片的厚度宜選擇1～1.6 mm．

圖6 肋片厚度與最高結(jié)溫關(guān)系Fig.6 Fin thickness and maximum junctiontemperature relationship

1.4 肋片高度對(duì)散熱器散熱的影響

最后改變肋片高度,研究肋片高度對(duì)散熱器散熱的影響,肋片高度h取42、44、46、48、50、52 mm．

從圖7可以看出：隨著肋高的增加,芯片結(jié)溫并沒有顯著下降,而是趨于一個(gè)固定值,肋高增加4 mm;結(jié)溫下降0.2℃,過高的肋片導(dǎo)致熱量不能及時(shí)傳遞到肋片頂端,同時(shí)也增大了散熱器的體積,增加了質(zhì)量,綜上肋片高度取值在44～46 mm能夠滿足散熱要求．

圖7 肋片厚度與芯片最高結(jié)溫關(guān)系Fig.7 Fin thickness and chip junctiontemperature relationship

2 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器的散熱性能產(chǎn)生影響.而且這個(gè)影響是非線性的[11],需要找出最佳匹配方案,從結(jié)溫、熱阻、用料成本綜合進(jìn)行優(yōu)化分析．具體將原散熱器設(shè)為基準(zhǔn)參考散熱器,采用枚舉法列舉出9組優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)方案,采用式(2)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來評(píng)價(jià)散熱器的性能[6].f為表征散熱器性能的參數(shù),f越小匹配性越好,散熱的效果越好．9組優(yōu)化結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表3～5．

(2)

(3)

(4)

式中：Rth為散熱器熱阻；Rthref為參考散熱器熱阻；Tref為參考溫度；A為散熱器對(duì)流換熱面積；ω1、ω2為比例系數(shù)，ω1+ω2=1；Mref為參考散熱器質(zhì)量.當(dāng)ω1較大時(shí)，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則更多考慮的是散熱器的熱阻,而當(dāng)ω2較大時(shí)候，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則更多考慮的是散熱器的質(zhì)量．

表3 散熱器的幾何參數(shù)Table 3 Geometric parameters of heat sink

表4 散熱器表面積、體積、質(zhì)量Table 4 Surface area, volume and quality of heat sink

注：A1為鋁基板自然對(duì)流散熱面積；A2為肋片自然對(duì)流散熱面積；V2為散熱器的體積；M為散熱器的質(zhì)量

表5 散熱器溫度Table 5 Temperature of radiator

注：Tavg為平均溫度；T0為初始壁面溫度30℃；Tmax為散熱器最高溫度;Tmin為散熱器最低溫度

表6 公式(2)優(yōu)化方案計(jì)算數(shù)據(jù)Table 6 Formula (2) optimization scheme calculation data

在表6基礎(chǔ)上可進(jìn)一步從式(2)得到圖8．

圖8 f隨ω1的變化情況Fig.8 f changes with ω1

從圖8可以看出：ω1為0.5時(shí)f的取值最小,即表6中肋片高度為44 mm,肋片數(shù)量為36,厚度為1.2 mm的散熱效果最好,在達(dá)到優(yōu)化效果的同時(shí)與原模型相比,降低了散熱器的材料,達(dá)到成本與散熱性能的良好匹配．從表6可以看出，優(yōu)化后的模型質(zhì)量較原模型質(zhì)量減輕3%,從表5看出優(yōu)化后散熱器的結(jié)溫溫度較原模型降低3℃．

3 結(jié)語

(1) 基于散熱器肋片溫度場及外空間流場與溫度場進(jìn)行耦合計(jì)算和分析,獲得了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該型散熱器散熱的影響規(guī)律及滿足該型散熱器散熱要求的肋片個(gè)數(shù)、厚度、高度的取值范圍．

(2) 綜合最小熱阻及最輕質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo),該型散熱器優(yōu)化后肋片高度為44 mm,肋片數(shù)量為36,厚度為1.2 mm．

(3) 優(yōu)化后散熱器模型的結(jié)溫比原模型降低了3℃,質(zhì)量較原模型減少3%．

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