張仕輝

(廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

LED熱量通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等形式散發(fā)到周邊空氣中。早期散熱器，由于一味追求擴(kuò)大散熱面積，不斷地加密或加長(zhǎng)散熱片，此種方式的結(jié)果是散熱器面積增大了，散熱片間隙卻變小了、長(zhǎng)度變長(zhǎng)了，空氣在狹長(zhǎng)的流道內(nèi)并不能有效流動(dòng)，散熱器散熱性能非但沒改善，溫度還可能不降反升。經(jīng)過不斷更新迭代，目前LED照明產(chǎn)品散熱器多采用符合T/CSA 016—2022標(biāo)準(zhǔn)的梳形散熱器，散熱片間隙、長(zhǎng)度均得到了比較合理的控制，在預(yù)定空氣流道上能較好發(fā)揮對(duì)流散熱效果。

由于空氣自然流動(dòng)、周邊活動(dòng)物體的擾動(dòng)或外力作用等因素，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中空氣難免存在流動(dòng)。散熱器周圍的氣流對(duì)散熱效果或多或少會(huì)產(chǎn)生影響。這些影響可能有助于提升散熱能力，也可能會(huì)抑制現(xiàn)有散熱能力。如果能借助環(huán)境氣流的作用，加速散熱器對(duì)流換熱效率，從而提升散熱器散熱能力，這將對(duì)控制散熱成本、降低芯片結(jié)溫、提高LED光輸出及降低光衰等起到有效的促進(jìn)作用。

1 對(duì)流散熱分析

對(duì)流換熱的基本公式Q=hA(Tw-Tf)，式中h為對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m2·k)]；A為對(duì)流散熱面積(m2)；Tw為物體表面溫度(℃)；Tf為流體溫度(℃)[1]。對(duì)流現(xiàn)象根據(jù)空氣流動(dòng)起因的不同，可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。自然對(duì)流是由于空氣受熱，溫度升高后體積膨脹，密度變小，從而引起的緩慢流動(dòng)。強(qiáng)迫對(duì)流是由于流體受外力如風(fēng)扇、外部氣流作用而產(chǎn)生的流動(dòng)[2]。

LED散熱因?qū)w積空間限制小，熱流密度較小，采用自然對(duì)流散熱具有成本相對(duì)較低、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)，故目前LED散熱多采用“梳形”散熱器如圖1所示，通過散熱片自然對(duì)流散熱。一般自然對(duì)流換熱系數(shù)h為3～12 W/(m2·K)[1，2]。影響自然對(duì)流的因素主要有散熱片的高度H，散熱片長(zhǎng)度L，散熱片的間距W。散熱片高度H越高，長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，散熱片間距W越小，此時(shí)流經(jīng)散熱片的氣流受邊界層阻力影響越大，自然對(duì)流換熱系數(shù)h取小值，反之取大值。強(qiáng)迫對(duì)流的影響因素同自然對(duì)流，最大的不同在于空氣的流動(dòng)，因外力的介入，加速了流經(jīng)散熱片空氣的流動(dòng)，隨著氣流速度的增大，散熱片熱交換效率也隨著提升。

圖1 “梳形”散熱器Fig.1 “Comb” Radiator

不論是自然對(duì)流還是強(qiáng)迫對(duì)流，合理的流道設(shè)計(jì)能有效減小空氣流動(dòng)阻力，加速空氣流動(dòng)，提高散熱器與空氣熱交換效率，從而快速降低散熱器的溫度。

圖2為光學(xué)面長(zhǎng)度為236 mm規(guī)格的CSA 016標(biāo)準(zhǔn)散熱器截面，該散熱器寬度為70 mm，散熱面積為0.14 m2，材質(zhì)為AL 6063，表面氧化處理，散熱器重485 g。

圖2 CSA 016標(biāo)準(zhǔn)散熱器Fig.2 CSA 016 Standard Radiator

此散熱器匹配LED模塊功率為55 W，按LED光電轉(zhuǎn)換效率40%計(jì)算，55 W LED模塊熱損耗約為33 W；將LED模塊放置在防風(fēng)罩內(nèi)，驅(qū)動(dòng)模塊功率至55 W，分別對(duì)應(yīng)表1兩種狀態(tài)擺放，通過熱電偶測(cè)試LED散熱焊盤溫度，待溫度穩(wěn)定后記錄測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 CSA 016標(biāo)準(zhǔn)模塊散熱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可知，兩種狀態(tài)只因自然對(duì)流流向與散熱片長(zhǎng)度方向不同(平行或垂直正交)，LED散熱焊盤溫度相差竟達(dá)21 ℃以上?？梢?，對(duì)流在LED散熱中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)流流向與散熱片長(zhǎng)度方向平行時(shí)，對(duì)流散熱效果更好。

2 散熱方案設(shè)計(jì)

2.1 燈珠參數(shù)

LUXEON 5050是LUMILEDS旗下推出的大功率高光效LED方案，燈珠外觀如圖3所示。該燈珠具有光電轉(zhuǎn)換效率高、熱阻小等優(yōu)點(diǎn)。燈珠標(biāo)稱電壓Vf為24 V燈珠，最大驅(qū)動(dòng)電流I為240 mA，燈珠熱阻Rjc為1.9 ℃/W。圖4為燈珠規(guī)格書給出的光輸出與結(jié)溫關(guān)系曲線，圖5為根據(jù)TM-21推算燈珠在不同結(jié)溫下70%光衰壽命曲線。從圖4、圖5可以看出LED散熱的重要性：當(dāng)燈珠結(jié)溫越低，其光輸出越高、光衰減越慢。

圖3 LUXEON 5050 燈珠Fig.3 LUXEON 5050

圖4 光輸出與結(jié)溫關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relationship between light output and junction temperature

圖5 LED光衰曲線Fig.5 LED light decay curve

2.2 散熱器材料及加工工藝

鋁因其導(dǎo)熱率高，成本相對(duì)較低，被廣泛用作散熱材料。AL 1060導(dǎo)熱率為234 W/(m·K)[3]，其抗拉強(qiáng)度σb為110～136 MPa。AL 1060制成的散熱器雖傳導(dǎo)性能高，但其材質(zhì)較軟，鎖螺絲易滑牙，機(jī)械強(qiáng)度較差。而AL 6063材料導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m·K)，抗拉強(qiáng)度σb≥205 MPa。AL 6063雖導(dǎo)熱率略低于AL 1060，但其導(dǎo)熱系數(shù)在常用鋁材中相對(duì)較高，且具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，是比較理想的散熱器制備材料。而鋁型材擠出工藝，截面設(shè)計(jì)較自由，可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)變截面設(shè)計(jì)。綜合熱傳導(dǎo)、機(jī)械強(qiáng)度、工藝設(shè)計(jì)等因素，散熱器采用AL 6063擠出加工是比較合適的。陽極氧化處理使散熱器氧化后表面形成堅(jiān)硬的氧化膜，保護(hù)基體不易被侵蝕的同時(shí)提升其表面熱輻射系數(shù)，可提升輻射散熱效果，故擠出成型后會(huì)對(duì)散熱器表面進(jìn)行陽極氧化處理。

2.3 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因考慮互換性，通用圖2所示的CSA 016標(biāo)準(zhǔn)模塊光學(xué)器件，散熱器光學(xué)安裝面尺寸同CSA 016標(biāo)準(zhǔn)散熱器，長(zhǎng)236 mm、寬70 mm、散熱器高度小于40 mm、LED模塊功率為55 W。LED模塊設(shè)計(jì)壽命為：70%光衰壽命達(dá)10萬小時(shí)。按目前LUXEON 5050 LED光電轉(zhuǎn)換效率約40%計(jì)算：LED模塊選用30顆電壓等級(jí)為24 V的LUXEON 5050燈珠，單顆燈珠驅(qū)動(dòng)電流約76 mA，LED模塊熱損耗約33 W；查看圖5中LED光衰曲線可知，LED 70%光衰壽命達(dá)10萬小時(shí)，其LED目標(biāo)結(jié)溫Tj要小于85 ℃。

散熱器外形綜合考量對(duì)流散熱及應(yīng)用，截面設(shè)計(jì)呈“D形”，截面厚度從基板到散熱片末端逐漸減薄。采用變截面設(shè)計(jì)的最大好處在于節(jié)約材料。散熱片設(shè)計(jì)分布于兩側(cè)及背部，中間形成較寬闊的空氣流道；“D形”內(nèi)部寬闊的流道設(shè)計(jì)，有利于減少流道內(nèi)空氣流動(dòng)阻力，利用散熱片內(nèi)外表面，充分發(fā)揮其對(duì)流散熱能力。散熱器背部設(shè)兩道“倒T”形槽，方便散熱模塊后續(xù)快速安裝使用。設(shè)計(jì)的“D形”散熱器外形如圖6所示，散熱面積為0.079 m2；散熱器采用鋁擠工藝，材質(zhì)為AL 6063，散熱器重約209 g。

圖6 “D形” 散熱器Fig.6 “D” Radiator

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，材料傳遞熱量Q=ΔTAλ/δ。熱量在傳遞路徑上遇到的阻力稱為熱阻，熱阻R=δ/(λA)。式中，λ為材料的熱導(dǎo)率[W/(m·K)]；δ為材料的厚度(m)；A為熱傳遞方向的截面積(m2)；ΔT為材料兩端溫度差(℃)[4]。AL 6063材料導(dǎo)熱率為201 W/(m·K)。如圖6所示，材料的厚度δ為傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度=0.03+0.048/2=0.054 m；熱傳遞方向的截面積A為兩側(cè)散熱筋橫截面積=0.236(長(zhǎng))×0.0015(散熱片平均厚度)×2=0.000708 m2。故散熱器熱阻為：R=δ/(λA)=0.38 ℃/W。

根據(jù)Q=ΔTAλ/δ，得出ΔT=Qδ/(λA)=33×0.38=12.54 ℃。忽略LED與散熱器中間的熱阻，散熱器最大溫度MaxTw=Tj(LED結(jié)溫)-Rjc(LED熱阻)×P(功率)=85-1.9×(55/30)≈81.5 ℃，散熱器末端溫度MinTw=81.5-12.54≈69 ℃，故散熱器平均溫度Tw=(81.5+69)/2=75.25 ℃，較環(huán)境溫度25 ℃升高約50 ℃。

基于對(duì)流換熱的基本公式Q=hA(Tw-Tf)，空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)取典型值10 W/(m2·K)[2]，估算55 W LED模塊所需散熱面積A=Q/h(Tw-Tf)=33/10/50=0.066 m2≤“D形”散熱器散熱面積0.079 m2。故“D形”散熱器散熱面積初步評(píng)估能夠滿足散熱需求。

通過Proe建模后運(yùn)用FloEFD熱模擬軟件對(duì)“D形” 散熱器進(jìn)行模擬優(yōu)化。背部散熱片因遠(yuǎn)離熱源，其在散熱過程中發(fā)揮熱交換效率相對(duì)較低。在散熱器背部開條形通風(fēng)孔及過線孔，雖減少了散熱面積，但通風(fēng)孔縮短了空氣流道長(zhǎng)度，有助于散熱器內(nèi)部熱空氣的流出及冷空氣流入，同時(shí)有助于提高其內(nèi)部空氣流動(dòng)換熱效率。優(yōu)化后“D形”散熱器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后“D形”散熱器Fig.7 Optimized “D”Radiator

優(yōu)化后“D形”散熱器模型運(yùn)用FloEFD熱模擬軟件模擬數(shù)據(jù)見表2。

表2 優(yōu)化后“D形” 散熱器熱模擬數(shù)據(jù)

由表2可知，優(yōu)化后“D形”散熱器的散熱能力滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。得益于優(yōu)化后“D形”散熱流道空氣流動(dòng)阻力小，隨著流道內(nèi)部空氣的流出，新的空氣通過背部通風(fēng)孔快速流入，流量加大同時(shí)加速了對(duì)流換熱。優(yōu)化后散熱器散熱片與對(duì)流同向或垂直正交兩種狀態(tài)LED散熱焊盤溫度僅相差4 ℃，散熱器整體對(duì)流效果優(yōu)于“梳形”散熱器，進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)流對(duì)散熱的重要性。

3 隧道通風(fēng)對(duì)散熱的促進(jìn)作用

在現(xiàn)實(shí)的使用環(huán)境中，避免不了存在空氣的流動(dòng)。特別是安裝在隧道內(nèi)部的LED隧道燈具必定受到氣流影響。依據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)，隧道內(nèi)交通量大，如果空氣流通不暢，汽車排放的尾氣將會(huì)造成隧道內(nèi)空氣污染，一氧化碳(CO)和二氧化氮(NO2)濃度升高，嚴(yán)重會(huì)直接影響人員健康，降低空氣透過率，影響行車安全。為保證隧道內(nèi)通風(fēng)換氣，目前主要以各種縱向通風(fēng)方式及其各種組合，一般多采用全射流縱向通風(fēng)方式[5]。單向交通隧道通風(fēng)方式特點(diǎn)如圖8所示。

圖8 單向交通隧道通風(fēng)方式特點(diǎn)Fig.8 Characteristics of ventilation mode of one-way traffic tunnel

由圖8可見，采用全射流縱向通風(fēng)方式隧道內(nèi)部風(fēng)速可簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)[6]?！豆匪淼劳L(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)對(duì)通風(fēng)換氣風(fēng)速也做了相關(guān)要求：采用縱向通風(fēng)的隧道，隧道換氣風(fēng)速不應(yīng)低于1.5 m/s。對(duì)于特長(zhǎng)的隧道，隧道換氣風(fēng)速不應(yīng)低于2.5 m/s。雙向交通隧道最大風(fēng)速不大于8 m/s，單向交通隧道最大風(fēng)速不大于10 m/s[5]。

隧道通風(fēng)氣流無疑對(duì)隧道內(nèi)LED燈具散熱提供了強(qiáng)迫對(duì)流的作用，當(dāng)適配了圖7“D形”散熱器的LED模塊橫向安裝于隧道內(nèi)時(shí)，其散熱流道方向剛好與隧道縱向通風(fēng)氣流方向平行，在隧道通風(fēng)氣流作用下，快速流動(dòng)的氣流將有助于散熱器更好地發(fā)揮對(duì)流散熱效果。通過Proe建模，運(yùn)用FloEFD軟件對(duì)不同氣流作用下圖7“D形”散熱器散熱效果進(jìn)行模擬對(duì)比。

模擬條件如下：

1)初始條件：壓力101 325 Pa，溫度25 ℃；

2)5050LED：材質(zhì)銅，數(shù)量30 pcs；

3)LED功率：55 W；

4)LED發(fā)熱損耗：33 W；

5)鋁基板：材質(zhì)AL 5052；

6)散熱器：材質(zhì)AL 6063，輻射系數(shù)：0.6(氧化鋁表面輻射系數(shù))；

7)散熱片長(zhǎng)度(散熱流道)方向與氣流平行，重力方向朝下，散熱器擺放狀態(tài)如圖9所示。

圖9 “D形”散熱器擺放狀態(tài)Fig.9 “D” radiator placement status

8)外部對(duì)流狀態(tài)下，空氣流速分別取0 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s。

忽略各接觸熱阻，模擬得出LED散熱焊盤溫度如圖10所示。

圖10 LED模塊在不同風(fēng)速作用下的散熱效果Fig.10 Heat dissipation effect of LED module under different wind speeds

由圖10可知，隨著氣流速度增大，LED散熱焊盤溫度隨之下降，當(dāng)流速大于0.5 m/s后，溫度下降速度更加明顯。按隧道通風(fēng)最低風(fēng)速1.5 m/s計(jì)算，LED散熱焊盤溫度較自然對(duì)流狀態(tài)下降了約15 ℃，氣流使散熱器散熱效果得到有效提升。

4 散熱效果對(duì)比

將適配圖2、圖7散熱器的LED模塊3D模型分別放置到同一隧道縱向風(fēng)道模型中，在同等條件下針對(duì)隧道可能產(chǎn)生的風(fēng)速進(jìn)行散熱模擬，對(duì)比兩種不同散熱流道的散熱器在隧道應(yīng)用中的散熱效果。以某隧道照明工程為例，選取長(zhǎng)度30 m隧道基本段做模擬對(duì)比，隧道截面如圖11、隧道內(nèi)燈具布置平面如圖12所示。

圖11 隧道截面簡(jiǎn)圖Fig.11 Section sketch of tunnel

圖12 隧道內(nèi)燈具布置平面圖Fig.12 Layout plan of lamps in tunnel

由于隧道建?？臻g較大，如果網(wǎng)格劃分較細(xì)，網(wǎng)格數(shù)量將成倍增加，計(jì)算數(shù)據(jù)龐大；如果網(wǎng)格劃分較稀疏，又影響模擬計(jì)算結(jié)果精度。故將整個(gè)隧道空間先劃分大基礎(chǔ)網(wǎng)格，再針對(duì)空間內(nèi)LED模塊及LED模塊周邊流體區(qū)域做網(wǎng)格細(xì)化，以此來簡(jiǎn)化計(jì)算量同時(shí)確保計(jì)算精度。通過FloEFD模擬對(duì)比相同條件下兩種LED模塊LED散熱焊盤溫度。

模擬條件如下：

1)初始條件：壓力101 325 Pa，溫度25 ℃；

2)5050LED：材質(zhì)銅，數(shù)量30 pcs；

3)每盞LED功率：55 W；

4)每盞LED發(fā)熱損耗：33 W；

5)鋁基板：材質(zhì)AL 5052；

6)散熱器：材質(zhì)AL 6063，輻射系數(shù)：0.6(氧化鋁表面輻射系數(shù))；

7)LED模塊安裝于隧道側(cè)壁上，距離地面高度5 m，燈具間隔9 m；隧道內(nèi)LED模塊安裝狀態(tài)分別如圖13所示。

圖13 隧道內(nèi)LED模塊安裝狀態(tài)Fig.13 Installation status of LED modules in the tunnel

8)邊界條件：

入口壓力101 325 Pa；隧道縱向空氣流速分別取0 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s。

忽略各接觸熱阻，模擬得出各LED模塊LED散熱焊盤溫度如圖14所示。

圖14 隧道內(nèi)不同縱向風(fēng)速下散熱器散熱效果對(duì)比Fig.14 Comparison of radiator heat dissipation effects under different wind speeds in tunnel

由圖14可知，“D形”散熱器由于流道設(shè)計(jì)與氣流方向平行，流道有利于空氣流動(dòng)發(fā)揮熱交換效率，其LED散熱焊盤溫度隨空氣流速增加不斷下降，特別在氣流速度低于1.5 m/s時(shí)，隨著空氣流速加快散熱效果提升明顯。在氣流速度達(dá)1.5 m/s時(shí)，LED散熱焊盤溫度較自然對(duì)流下降了11.48 ℃，溫度遠(yuǎn)低于自然對(duì)流時(shí)的溫度。而CSA 016標(biāo)準(zhǔn)“梳形”散熱器由于散熱片與氣流方向垂直，阻礙了空氣流動(dòng)，空氣換熱效率低下；在流速低于2.5 m/s時(shí)，LED散熱焊盤溫度不降反升；當(dāng)空氣流速大于2.5 m/s時(shí)，LED散熱焊盤溫度較初始階段緩慢下降，此時(shí)兩種散熱器LED散熱焊盤溫度趨于一致。

通過對(duì)比看出，“D形”散熱器設(shè)計(jì)基于流道優(yōu)化，借助隧道空氣流動(dòng)，誘導(dǎo)氣流往有利于散熱器散熱的方向流動(dòng)，變被動(dòng)對(duì)流散熱為主動(dòng)對(duì)流散熱甚至強(qiáng)迫對(duì)流散熱，充分提高熱交換效率，使散熱性能得到較大的提升。在隧道通風(fēng)氣流作用下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.5 m/s及以上時(shí)，“D形”散熱器只用了不到CSA 016標(biāo)準(zhǔn)梳形散熱器一半的材料成本就達(dá)到與CSA 016標(biāo)準(zhǔn)梳形散熱器基本相同的散熱效果。

5 總結(jié)

LED散熱的主要路徑為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。對(duì)流在散熱過程中發(fā)揮著重要作用。一款散熱器散熱流道設(shè)置是否合理，是否有利于空氣流動(dòng)將直接影響其散熱性能的好壞。好的散熱設(shè)計(jì)，散熱流道有利于空氣對(duì)流，有利于提高對(duì)流換熱系數(shù)，充分發(fā)揮表面熱交換能力。自然對(duì)流下，流道設(shè)置應(yīng)與空氣受熱膨脹后流動(dòng)方向一致；強(qiáng)迫對(duì)流下，流道設(shè)置應(yīng)與強(qiáng)迫氣流方向一致。當(dāng)強(qiáng)迫對(duì)流流速較低時(shí)，需特別注意強(qiáng)迫對(duì)流流向與自然對(duì)流流向，當(dāng)兩者方向相同時(shí)，二者作用疊加有助于加速對(duì)流；當(dāng)兩者方向相反或相互阻礙時(shí)，二者作用疊加會(huì)造成流動(dòng)受阻，甚至困氣，反而影響散熱[7]。這就是圖14中CSA 016標(biāo)準(zhǔn)散熱器在風(fēng)速?gòu)? m/s到2 m/s時(shí)溫度不降反升的原因。

在公路隧道內(nèi)部，由于通風(fēng)系統(tǒng)的作用，隧道內(nèi)風(fēng)速不低于1.5 m/s，對(duì)隧道LED燈具來說無異于建立了強(qiáng)迫對(duì)流散熱系統(tǒng)?！癉形”散熱器將流道設(shè)計(jì)成與隧道縱向氣流平行，利用隧道通風(fēng)氣流作用，有效發(fā)揮空氣流動(dòng)換熱效率，提升了散熱器散熱能力。不單是隧道燈具，包括路燈等照明產(chǎn)品，只要有效地設(shè)計(jì)出有利于環(huán)境空氣流動(dòng)的散熱流道，都能利用環(huán)境中空氣流動(dòng)來加速散熱，從而節(jié)約材料成本，降低芯片溫度，延長(zhǎng)芯片壽命。