LED 散熱器散熱特性分析及結構優(yōu)化

014年2月照明工程學(xué)報2014第25卷第1期ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOVol 25 No. 1LED散熱器散熱特性分析及結構優(yōu)化梁融,聶宇宏,聶德云,姚壽廣(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇鎮江212003)摘要:發(fā)光二極管(LED)以其耗電量少、發(fā)光效率高、節能、環(huán)保等特點(diǎn),在現代照明中已經(jīng)越來(lái)越占據主導地位。IED芯片產(chǎn)生的熱量隨著(zhù)功率增加而增加,使得基底溫度升高,所以散熱問(wèn)題成為L(cháng)ED設計時(shí)需要考慮的重要因素之一。本文在對現有的LED肋片散熱器結構進(jìn)行數值分析的基礎上,提出了斷開(kāi)開(kāi)縫式肋片的結構,并對其進(jìn)行了研究分析。結果表明,在自然對流的情況下,表面傳熱系數和總熱阻受功率影響很小,斷開(kāi)式結構可以提高表面傳熱系數,但存在最佳開(kāi)縫數。關(guān)鍵詞:LED;數值分析;結構優(yōu)化中圖分類(lèi)號:TM23文獻標識碼:ADO1:10.3969/isn.100440X.2014.01.018Thermal Analysis and Structure Optimization of LED RadiatorLiang rong, Nie Yuhong, Nie Deyun, Yao ShouguangJiangsu Uniersity of Science and Technology, Zhenjiang 212003, ChinaAbstract: As its high luminous efficiency, energy-saving, environmental protection and other charactersLight-emitting diode(Led) has been more and more dominant in the modern lighting. The more chip heatwill be generated as the higher power, so the thermal problem has been one of the major factors. The subsectioned plain plate fin structure has been putted forward and analyzed by the numerical method. The resultshows that the heat transfer coefficient and the thermal resistance rarely depend on the power input in thenatural convection condition. The sub-sectioned plain plate fin can improve the heat transfer coefficientbut there has an optimum number for slottingKey words: LED; numerical simulation boundary layer量,是LED燈具設計的關(guān)鍵技術(shù)之一3?，F階段國引言?xún)韧庵T多學(xué)者對LED的散熱結構進(jìn)行了數值模擬和實(shí)驗研究“,劉雁潮和劉靜等人分別利用epk軟隨著(zhù)大功率發(fā)光二極管(LFD)越來(lái)越廣泛的件對大功率LED路燈進(jìn)行建模仿真,研究了肋間應用,其相比于傳統照明光源的優(yōu)勢已經(jīng)受到廣泛距,肋厚度,換熱面積等結構的優(yōu)化認可。但在LFD的發(fā)光過(guò)程中,是靠PN結中的電本文以強化LED散熱器的散熱效率為目標,對子發(fā)生躍遷產(chǎn)生光能,在其發(fā)光光譜中不含紅外部家用中國煤化工流冷卻過(guò)程進(jìn)行了研分,故其產(chǎn)生的熱量不能靠輻射散發(fā)。目前,LED究。CNMH自然對流的大空間內只有20%左右的電能轉化為光能2,其余的能量的換熱過(guò)仼舡」口蟻熱計算。根據計算結都轉化為了熱能。而LED的工作壽命和其芯片溫度果,提出了LED散熱器的結構優(yōu)化方案。關(guān)系密切。因此如何快速高效的帶走芯片發(fā)出的熱基金項目:江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng )新計劃項目(CXLX13_714)第25卷第1期梁融等:LED散熱器散熱特性分析及結構優(yōu)化(pm)+0(p)+(pm2散熱器模型幾何尺寸及計算dy模型+以(02+2+3)(3)2.1散熱器模型幾何尺寸a(puo) a(pu). a(pwdz現有是家用LED燈具散熱器的結構如圖1所a w d1示,具體參數列于表12+2)+g(p-p)(4)能量方程a(put), a(put), a(puT)kat atat邊界條件取為:大空間為壓力進(jìn)口,散熱器基板底面根據不同功率給定熱流邊界,而肋片與空氣接觸的計算面,為自然對流換熱耦合計算面,在固體邊界上對速度取無(wú)滑移邊界條件(no-lin圖1現有LED散熱器結構boundary condition),即在固體邊界上流體的速度等于固體表面的速度表1散熱器尺寸Table 1 radiator size3散熱器散熱特性計算結果及肋長(cháng)肋厚平均肋高肋間距克道數分析(H/mm)圖2為圖1所示的燈具在功率為5W時(shí),計算2.2計算模型及邊界條件得到的散熱器表面的溫度分布。為方便分析,表2計算域由散熱器本身和其周?chē)目諝庥蚪M成,系數和熱阻列出了不同功率下,原型散熱器的基板溫度、傳熱分別定義散熱器為固體域,周?chē)諝鉃榱黧w域。為了保證散熱器在自然對流的模擬中的準確性,空氣3.25e+023.24e+0流動(dòng)計算域必須取的足夠大,這樣大空間的邊界3.2le+02條件就能取為壓力人口邊界條件。數值模擬時(shí)可以3.20e+023.19e+02近似把問(wèn)題看成三維,穩態(tài),常物性,有內熱源的3.8e+023.16e+0導熱和對流熱耦合問(wèn)題67。由于是模擬自然對流3.14c+考慮溫差而引起的浮升力作用,所以在計算中引入3.13e+023.lle+02了 Boussinesq假設。3.09e+02針對物理模型,列主要控制方程如下:3.08c+023.06e+02連續性方程:a(p)+(p)+(p)=0中國煤化工CNMHG動(dòng)量方程:圖2原型散熱功率5W時(shí)溫度分布a(pu) a(puu) a( pwu)Fig. 2 Temperature distribution when the power is 5 wdx+ydu. dudu散熱器的整個(gè)散熱過(guò)程是其本身的導熱和肋片(2)與空氣間對流換熱的耦合過(guò)程,由于LED家用燈具照明工程學(xué)報014年2月表2散熱器模擬結果針對優(yōu)化后的散熱器結構,分別在功率分別為T(mén)able 2 Simulation result of radiator5W,7W,10W的情況下,進(jìn)行了數值模擬研究項目傳熱系數h(w/(m2×k))基板溫度(k)溫度的計算結果如圖4和圖5所示。4.124.16330.410W334.63.14e+0的功率一般在5W~15W左右,所以肋片表面溫度般不會(huì )超過(guò)100℃,故輻射傳熱可以忽略”。而就對流和固體導熱而言,對流換熱熱阻更大,對溫度的影響更顯著(zhù),而對流換熱阻與表面傳熱系數成反比,所以,可以通過(guò)分析表面傳熱系數,來(lái)分析基板的最高溫度,衡量散熱器的效率。從計算結果可以看出現有散熱器的散熱能力不強,在10W的功率下基板溫度已達到了334K,這主要是由于單個(gè)肋片的長(cháng)度圖4方案一功率為5W時(shí)溫度分布較長(cháng),空氣進(jìn)入肋片后,形成的熱邊界層阻礙了熱量Fig 4 Scheme 1: temperature distribution傳遞。為了在不增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,不額外增加物理化學(xué)手段的前提下,強化散熱器的散熱能力,對散3.27e+02熱器的結構進(jìn)行優(yōu)化。為了減小熱邊界層的厚度,在3.26e+023.24e+02原有的肋片形式上,采用開(kāi)縫的方法,使連續的肋片3.23e+022le+02變成斷開(kāi)型的,從而達到減薄邊界層的目的。3.20e+023.l8e+023.17e+0結構優(yōu)化后散熱特性分析及3.14e+02計算3.2e+02根據以上的分析,對現有IED散熱器結構進(jìn)行優(yōu)化設計,方案結構圖如圖3所示,具體尺寸列于表3。圖5方案二功率為5W時(shí)溫度分布Fig 5 Scheme 2: temperature distribution從圖2、圖4和圖5的對比中可以看出,在5W的情況下,不同的散熱器結構對基板最高溫度有較大的影響。為便于分析,圖6給出了三種結構形式(a)改進(jìn)方案一b)改進(jìn)方案二基板最高溫度隨功率的變化圖。從圖6中可以看到,優(yōu)化后方案一的基板溫度圖3優(yōu)化后的設計方案結構圖最低。圖7為三種散熱器表面傳熱系數隨功率變Fig 3 Design scheme after optimization化圖表3優(yōu)化后的散熱器尺寸中國煤化工于同一種形式的散熱Table 3iator size after optimizationCNMHG功率的變化而變。這平均肋高肋間距散熱器(L/mm)(bym)(Hm)(wm)流道數開(kāi)縫數是因為,隨著(zhù)功率的提高,對流換熱量Q提高的方案同時(shí),散熱器表面平均溫度T也提高,從而使得方案二21其與周?chē)鋮s介質(zhì)的溫差ΔT提高。所以根據hQ/A△T,兩者共同作用,使得表面傳熱系數無(wú)明第25卷第1期梁融等:LED散熱器散熱特性分析及結構優(yōu)化5結論335(1)自然對流條件下,散熱器表面傳熱系數與原型模型其結構有關(guān),且不隨功率增減而變化模型二(2)通過(guò)對三種散熱器結構的模擬和分析,發(fā)現優(yōu)化后方案一的散熱效果最好,肋片斷開(kāi)在一定程度上有助于強化散熱。(3)斷開(kāi)式肋片散熱器可以提高對流表面傳熱系數,但并不是開(kāi)縫越多越好,要綜合考慮開(kāi)縫帶圖6三種散熱器基板最高溫度隨功率變化圖來(lái)的散熱面積的損失。只有綜合考慮兩者的變化,Fig. 6 The highest temperature variation with power才能控制總熱阻的變化,只有總熱阻變小,才能使得基板溫度降低,達到實(shí)際的收益效果。參考文獻原型[1]王海鷗.認識照明LED[J].中國照明電器,2004一模型二2]陳啟勇.IFD路燈散熱器自然對流研究[D].重慶大3 Arik M, Petroski J, Weaver S. Thermal challenges in theP(W)on solid state light圖7三種散熱器表面傳熱系數隨功率變化圖emitting diodes [A]. IEEE Sth intersociety Conference orThermal and Thermomechanical Phenomena in ElectronicFig. 7 Heat transfer coefficient variation with powerSystems[C].2002:113~120顯變化。而方案一的表面傳熱系數與現有換熱器相4]高圓圓.GH4型LED路燈散熱器傳熱研究[D].重比,提高了30%。慶大學(xué),2011:10從圖6、圖7中還可以看到,對于不同散熱器[5 David g. Pelka, Kavita patel. An overview of LEI的結構形式,基板溫度都隨著(zhù)功率增加而增加,applications for general illumination. Proceedings. Of而表面傳熱系數基本不變,這是符合實(shí)際情況的PE[C].5186(2004):15~26優(yōu)化后的方案一在各功率下散熱情況都是最優(yōu)的[6]J. Y. Tsao, Ed.. Lighting emitting diodes( LEDs)fogeneral illumination update 2002, Optoelectronics Indust其表面傳熱系數與現有的散熱器相比提高了30%C.[C].2002使得傳熱熱阻變小,從而基板溫度最低,這在散7]ⅢRei. mproving LED heat dissipation [J熱器的實(shí)際收益中是顯而易見(jiàn)的。所以對于本文nternational Journal of Thermal Sciences, 2011, 3研究的散熱器進(jìn)行開(kāi)縫形式的模型優(yōu)化是可取的。[8]L. Dialameh,M. Yaghoubi,o. Abouali. Natural但優(yōu)化后的方案二的傳熱系數增加很小,但熱阻convection from an array of horizontal rectangular thick fins卻變大,基板最高溫度也比現有的散熱器高。這with short length [J]. Thermal Engineering, 2008, 28是因為,開(kāi)縫導致有效的散熱面積減小,(h1A1)2371~2379.>(h4),導致R>R。所以在追求h變大的同9。壯「M].第三版,北京:北京中國煤化工時(shí),也要考慮A的減小帶來(lái)的影響,故存在最佳開(kāi)縫面積,從而使得(MA)最大,達到最佳的改0CNMHG于功率型LED散熱技術(shù)進(jìn)方案的研究[J].照明工程學(xué)報,2008,19(1):69