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        LED車燈散熱器優(yōu)化研究

        2019-10-11 04:02:38郁秋華
        科技視界 2019年22期
        關鍵詞:結溫數值模擬

        郁秋華

        【摘 要】LED是新一代的綠色照明光源,但其亮度和壽命會隨著結溫度的升高而降低,改善LED的散熱問題亟需解決。本文以市場上兩款典型LED汽車前照燈為研究對象,利用UG建立其簡化三維模型,并通過Ansys Fluent軟件進行溫度場模擬,對比分析不同翅片厚度和間距對LED散熱性能的影響,從而找出其最優(yōu)翅片散熱器結構。

        【關鍵詞】LED散熱器;數值模擬;結溫

        中圖分類號: TN312.8文獻標識碼: A文章編號: 2095-2457(2019)22-0021-003

        DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.008

        0 前言

        發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)是當今最具競爭力和發(fā)展前景的固體光源。LED的光電轉換效率為20%~30%,其余的電能全部轉化為熱能,如果這些熱量不及時散出去,LED結溫居高不下,將會產生光強減少、光譜偏移、色溫升高、使用壽命降低等一系列問題,最終影響車燈的正常工作。因此,LED的散熱問題[1]是LED車燈發(fā)展的應用中亟待解決的關鍵問題。

        目前市場上的大功率LED車燈產品基本都采用傳統(tǒng)的翅片被動散熱方法。通過在基礎表面上擴展表面,從而有效增加換熱面積,然后通過自然對流的方式將熱量散發(fā)出去。影響翅片散熱器散熱性能的因素多種多樣,包括有:總體結構、厚度、高度、寬度、翅片間距以及材料等。散熱器的結構無法統(tǒng)一,只能針對每種型號進行單獨優(yōu)化。本文選取市面上兩款典型LED前照燈,采用數值仿真軟件Fluent進行溫度場模擬。在自然對流條件下,對LED翅片散熱器進行研究,對比分析不同的翅片厚度和間距對散熱性能的影響,找出其最優(yōu)翅片散熱器結構。

        1 數值建模

        1.1 模型建立

        為分析大功率LED翅片散熱器的溫度場和流場分布,必須首先建立其模型?;诰W格劃分和減少計算量的考慮,借助三維繪圖軟件UG對模型進行簡化,去除了安裝卡扣、倒角、螺栓孔等復雜結構。圖1是三款LED前照燈散熱器幾何簡化模型示意圖。

        1.2 網格劃分

        網格是CFD模型的幾何表達形式,網格質量對CFD計算精度和計算效率有重要的影響。圖2為LED前照燈散熱器網格示意圖。模型網格通過ICEM繪制,采用非結構化四面體網格,網格質量均在0.3以上,說明網格質量優(yōu)良。對LED芯片和PCB板進行局部加密,同時對散熱器的上下投影空間的流體域進行加密,以確保精確反映上浮氣流的流動與換熱狀態(tài)。

        1.3 計算模型設置

        計算模型使用基于壓力方程的求解器,選用k-ε兩方程湍流模型[2],同時開啟Fluent中特殊計算選項:full buoyancy effects(考慮全部浮力效應);enhanced wall treatment(強化壁面處理)。壓力方程選擇body-force-weighted來強化體積力在求解中的反映;氣體選用不可壓縮理想氣體,環(huán)境溫度25℃。兩組前照燈散熱器材料均為鑄鋁,PCB板的材料均設置為鋁基板。

        由于LED芯片的封裝材料導熱能力差,因此忽略封裝材料的散熱,以面熱源的形式模擬LED芯片發(fā)熱。將芯片與基板未接觸的壁面設置為絕熱壁面,將芯片與基板接觸的壁面定義為熱流壁面,不同型號LED芯片的熱流參數設置見表1。模擬出的LED芯片溫度為節(jié)點溫度Ts[3],需要按相應的LED的熱阻值進行計算,得出芯片結溫Tj。

        2 模擬結果及分析

        2.1 Ⅰ型前照燈散熱器結果分析

        圖3為Ⅰ型散熱器溫度云圖??梢钥闯?1顆LED芯片所處區(qū)域溫度分布各不相同,上半部分的溫度高于下半部分的溫度。一方面是由于上下部分LED顆數不同導致功率不同,另一方面是因為自然對流氣流沿翅片向上運動,散熱效果因此也就變差。圖4為Ⅰ型散熱器流場Z方向切面速度矢量及溫度云圖對比。右半部切面中貼近LED芯片處的氣流由于凹槽的阻滯作用使得對流帶走的熱量更少。因此,散熱器溫度最高值出現在上半部右側的凹槽附近。

        及溫度云圖對比

        圖5為不同厚度的翅片其LED芯片最高結溫隨翅片間距的變化曲線,當然,散熱器的厚度和成本直接相關,企業(yè)傾向于采用最低的制造成本來滿足車燈的散熱效果。

        綜合考慮散熱效果和成本,翅片間距小于9mm和翅片厚度大于2mm的設計是不可取的,最優(yōu)散熱結構為:翅片間距9mm,翅片厚度1mm。

        2.2 Ⅱ型前照燈散熱器結果分析

        圖6為Ⅱ型散熱器溫度云圖。高溫區(qū)集中于PCB板前端以及散熱器底部正中的翅片處。從圖7的Z方向切面速度矢量和溫度云圖可以看出自然對流的主要氣流流向,從散熱器U型槽底部流向PCB板所在的熱區(qū),之后從散熱器的后方將熱量帶走。而散熱器上方翅片由于U型槽對氣流的阻擋,對流換熱弱于底部翅片。

        圖8為不同翅片厚度下LED芯片最高結溫隨翅片間距的變化示意圖。翅片間距10mm為LED芯片結溫的變化趨勢拐點,10mm前結溫呈下降趨勢,而10mm后結溫快速上升。因此Ⅱ型散熱器的最優(yōu)翅片間距為10mm。而翅片厚度方面,2.5-3.5mm的厚度反而散熱效果更好。

        3 結論

        本文選取市面上兩款典型LED前照燈為研究對象,采用數值仿真軟件Fluent進行溫度場模擬,分析其自然對流流場流態(tài),對比不同翅片厚度和間距對散熱性能的影響。得出以下結論。

        (1)Ⅰ型前照燈LED散熱器:翅片厚度越薄,LED芯片結溫越低,最優(yōu)散熱結構為:翅片間距9mm,翅片厚度1mm。

        (2)Ⅱ型前照燈LED散熱器:2.5-3.5mm的厚度散熱效果更好。翅片間距10mm為LED芯片結溫的變化趨勢拐點。最優(yōu)散熱結構為:翅片間距10mm,翅片厚度2.5-3mm。

        【參考文獻】

        [1]黃型鋼.汽車LED前大燈光熱耦合散熱仿真分析研究[D].華南理工大學,2018.

        [2]Fei C,Kai W,Zong Q,et al.Design method of high-efficient?LED headlamp lens[J].Optics Express,2010,18(20):20926.

        [3]王薇,樊洪明.基于平板微熱管陣列的大功率LED散熱技術[J].照明工程學報,2018,v.29(04):88-94.

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