LED 散热器散热特性分析及结构优化

014年2月照明工程学报2014第25卷第1期ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOVol 25 No. 1LED散热器散热特性分析及结构优化梁融,聂宇宏,聂德云,姚寿广(江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003)摘要:发光二极管(LED)以其耗电量少、发光效率高、节能、环保等特点,在现代照明中已经越来越占据主导地位。IED芯片产生的热量随着功率增加而增加,使得基底温度升高,所以散热问题成为LED设计时需要考虑的重要因素之一。本文在对现有的LED肋片散热器结构进行数值分析的基础上,提出了断开开缝式肋片的结构,并对其进行了研究分析。结果表明,在自然对流的情况下,表面传热系数和总热阻受功率影响很小,断开式结构可以提高表面传热系数,但存在最佳开缝数。关键词:LED;数值分析;结构优化中图分类号:TM23文献标识码: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灯具设计的关键技术之一3。现阶段国引言内外诸多学者对LED的散热结构进行了数值模拟和实验研究“,刘雁潮和刘静等人分别利用epk软随着大功率发光二极管(LFD)越来越广泛的件对大功率LED路灯进行建模仿真,研究了肋间应用,其相比于传统照明光源的优势已经受到广泛距,肋厚度,换热面积等结构的优化认可。但在LFD的发光过程中,是靠PN结中的电本文以强化LED散热器的散热效率为目标,对子发生跃迁产生光能,在其发光光谱中不含红外部家用中国煤化工流冷却过程进行了研分,故其产生的热量不能靠辐射散发。目前,LED究。CNMH自然对流的大空间内只有20%左右的电能转化为光能2,其余的能量的换热过仼舡」口蚁热计算。根据计算结都转化为了热能。而LED的工作寿命和其芯片温度果,提出了LED散热器的结构优化方案。关系密切。因此如何快速高效的带走芯片发出的热基金项目:江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX13_714)第25卷第1期梁融等:LED散热器散热特性分析及结构优化(pm)+0(p)+(pm2散热器模型几何尺寸及计算dy模型+以(02+2+3)(3)2.1散热器模型几何尺寸a(puo) a(pu). a(pwdz现有是家用LED灯具散热器的结构如图1所a w d1示,具体参数列于表12+2)+g(p-p)(4)能量方程a(put), a(put), a(puT)kat atat边界条件取为:大空间为压力进口,散热器基板底面根据不同功率给定热流边界,而肋片与空气接触的计算面,为自然对流换热耦合计算面,在固体边界上对速度取无滑移边界条件(no-lin图1现有LED散热器结构boundary condition),即在固体边界上流体的速度等于固体表面的速度表1散热器尺寸Table 1 radiator size3散热器散热特性计算结果及肋长肋厚平均肋高肋间距克道数分析(H/mm)图2为图1所示的灯具在功率为5W时,计算2.2计算模型及边界条件得到的散热器表面的温度分布。为方便分析,表2计算域由散热器本身和其周围的空气域组成,系数和热阻列出了不同功率下,原型散热器的基板温度、传热分别定义散热器为固体域,周围空气为流体域。为了保证散热器在自然对流的模拟中的准确性,空气3.25e+023.24e+0流动计算域必须取的足够大,这样大空间的边界3.2le+02条件就能取为压力人口边界条件。数值模拟时可以3.20e+023.19e+02近似把问题看成三维,稳态,常物性,有内热源的3.8e+023.16e+0导热和对流热耦合问题67。由于是模拟自然对流3.14c+考虑温差而引起的浮升力作用,所以在计算中引入3.13e+023.lle+02了 Boussinesq假设。3.09e+02针对物理模型,列主要控制方程如下:3.08c+023.06e+02连续性方程:a(p)+(p)+(p)=0中国煤化工CNMHG动量方程:图2原型散热功率5W时温度分布a(pu) a(puu) a( pwu)Fig. 2 Temperature distribution when the power is 5 wdx+ydu. dudu散热器的整个散热过程是其本身的导热和肋片(2)与空气间对流换热的耦合过程,由于LED家用灯具照明工程学报014年2月表2散热器模拟结果针对优化后的散热器结构,分别在功率分别为Table 2 Simulation result of radiator5W,7W,10W的情况下,进行了数值模拟研究项目传热系数h(w/(m2×k))基板温度(k)温度的计算结果如图4和图5所示。4.124.16330.410W334.63.14e+0的功率一般在5W~15W左右,所以肋片表面温度般不会超过100℃,故辐射传热可以忽略”。而就对流和固体导热而言,对流换热热阻更大,对温度的影响更显著,而对流换热阻与表面传热系数成反比,所以,可以通过分析表面传热系数,来分析基板的最高温度,衡量散热器的效率。从计算结果可以看出现有散热器的散热能力不强,在10W的功率下基板温度已达到了334K,这主要是由于单个肋片的长度图4方案一功率为5W时温度分布较长,空气进入肋片后,形成的热边界层阻碍了热量Fig 4 Scheme 1: temperature distribution传递。为了在不增加产品的生产成本,不额外增加物理化学手段的前提下,强化散热器的散热能力,对散3.27e+02热器的结构进行优化。为了减小热边界层的厚度,在3.26e+023.24e+02原有的肋片形式上,采用开缝的方法,使连续的肋片3.23e+022le+02变成断开型的,从而达到减薄边界层的目的。3.20e+023.l8e+023.17e+0结构优化后散热特性分析及3.14e+02计算3.2e+02根据以上的分析,对现有IED散热器结构进行优化设计,方案结构图如图3所示,具体尺寸列于表3。图5方案二功率为5W时温度分布Fig 5 Scheme 2: temperature distribution从图2、图4和图5的对比中可以看出,在5W的情况下,不同的散热器结构对基板最高温度有较大的影响。为便于分析,图6给出了三种结构形式(a)改进方案一b)改进方案二基板最高温度随功率的变化图。从图6中可以看到,优化后方案一的基板温度图3优化后的设计方案结构图最低。图7为三种散热器表面传热系数随功率变Fig 3 Design scheme after optimization化图表3优化后的散热器尺寸中国煤化工于同一种形式的散热Table 3iator size after optimizationCNMHG功率的变化而变。这平均肋高肋间距散热器(L/mm)(bym)(Hm)(wm)流道数开缝数是因为,随着功率的提高,对流换热量Q提高的方案同时,散热器表面平均温度T也提高,从而使得方案二21其与周围冷却介质的温差ΔT提高。所以根据hQ/A△T,两者共同作用,使得表面传热系数无明第25卷第1期梁融等:LED散热器散热特性分析及结构优化5结论335(1)自然对流条件下,散热器表面传热系数与原型模型其结构有关,且不随功率增减而变化模型二(2)通过对三种散热器结构的模拟和分析,发现优化后方案一的散热效果最好,肋片断开在一定程度上有助于强化散热。(3)断开式肋片散热器可以提高对流表面传热系数,但并不是开缝越多越好,要综合考虑开缝带图6三种散热器基板最高温度随功率变化图来的散热面积的损失。只有综合考虑两者的变化,Fig. 6 The highest temperature variation with power才能控制总热阻的变化,只有总热阻变小,才能使得基板温度降低,达到实际的收益效果。参考文献原型[1]王海鸥.认识照明LED[J].中国照明电器,2004一模型二2]陈启勇.IFD路灯散热器自然对流研究[D].重庆大3 Arik M, Petroski J, Weaver S. Thermal challenges in theP(W)on solid state light图7三种散热器表面传热系数随功率变化图emitting diodes [A]. IEEE Sth intersociety Conference orThermal and Thermomechanical Phenomena in ElectronicFig. 7 Heat transfer coefficient variation with powerSystems[C].2002:113~120显变化。而方案一的表面传热系数与现有换热器相4]高圆圆.GH4型LED路灯散热器传热研究[D].重比,提高了30%。庆大学,2011:10从图6、图7中还可以看到,对于不同散热器[5 David g. Pelka, Kavita patel. An overview of LEI的结构形式,基板温度都随着功率增加而增加,applications for general illumination. Proceedings. Of而表面传热系数基本不变,这是符合实际情况的PE[C].5186(2004):15~26优化后的方案一在各功率下散热情况都是最优的[6]J. Y. Tsao, Ed.. Lighting emitting diodes( LEDs)fogeneral illumination update 2002, Optoelectronics Indust其表面传热系数与现有的散热器相比提高了30%C.[C].2002使得传热热阻变小,从而基板温度最低,这在散7]ⅢRei. mproving LED heat dissipation [J热器的实际收益中是显而易见的。所以对于本文nternational Journal of Thermal Sciences, 2011, 3研究的散热器进行开缝形式的模型优化是可取的。[8]L. Dialameh,M. Yaghoubi,o. Abouali. Natural但优化后的方案二的传热系数增加很小,但热阻convection from an array of horizontal rectangular thick fins却变大,基板最高温度也比现有的散热器高。这with short length [J]. Thermal Engineering, 2008, 28是因为,开缝导致有效的散热面积减小,(h1A1)2371~2379.>(h4),导致R>R。所以在追求h变大的同9。壮「M].第三版,北京:北京中国煤化工时,也要考虑A的减小带来的影响,故存在最佳开缝面积,从而使得(MA)最大,达到最佳的改0CNMHG于功率型LED散热技术进方案的研究[J].照明工程学报,2008,19(1):69