LED翅片散热器传热性能研究

聂宇宏，梁 融，姚寿广，聂德云

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

大功率发光二极管(LED)作为第四代照明光源，以其绿色节能、高效环保、寿命长等优点已被广泛应用于生活和生产领域中［1-2］.发展至今，散热问题仍是制约LED大规模应用的瓶颈，LED的发光效率仅在20%左右，约80%的能量转化为热量［3］.因此，如何快速高效的带走芯片发出的热量，是LED灯具设计的关键技术之一［4］.对于大部分应用于日常生活的LED光源，主要的散热形式是利用翅片在自然对流条件下散热.近几年来，国内外学者也对翅片散热情况进行了大量研究，文献［5］中对平行翅片对流传热进行了大量数值模拟，并提出最佳化形状因子的概念.文献［6］中对沿翅片长度方向穿孔进行了数值模拟，发现优化方式具备优良性能.但在自然对流情况下，对于特定形状的翅片散热研究尚不充分，所以文中对家用LED灯具翅片散热器的散热特性进行了实验和数值模拟，分析了其传热特性，用测温仪测量了不同功率下散热器基板的温度，得出其温度随加热时间的变化趋势，并进行了理论分析.

1 实验系统及结果

为了研究LED翅片散热器自然对流下的传热性能，对图1所示LED灯具装置进行温度测量，将灯具放置在温度恒定且无空气流动的房间内，实验时室内温度为27℃.LED灯的功率分别为3，5，7 W，不同功率灯具的结构基本相同，LED灯具翅片散热器的结构尺寸列于表1.温度测量采用红外测温仪，如图2(型号为特安斯TASI-8606)所示，测试量程-32～380℃，重复性为±1.5℃，分辨率为0.1℃.

图1 LED灯具装置Fig.1 LED lamp structure

图2 测量仪器Fig.2 Measuring instrument

表1 散热器尺寸Table 1 Dimensional parameters of radiator

实验主要测量不同功率下基板表面的温度随时间的变化，测量位置如图3所示，A，B，C为基板上的3个小区域.

图3 测量点Fig.3 Measuring points

测量时，为减小误差，每次对A，B，C 3个测试点进行温度测试，再对3个点的测试数据取平均值作为此次测试的基板温度.每个测试对象，在60 min内，进行30次温度测量并记录30个温度-时间数据，再根据这些数据分别做出不同功率下LED散热器基板温度T随时间t的变化曲线(图4).

由图4可以看出，通电后，随着加热的进行，基板温度T迅速上升，在20 min左右温度达到最大值，随后温度减小，在25 min以后温度基本稳定，达到稳态.这与文献［7］的实验结果基本一致，都说明LED灯从开启到达到稳态的过程中，会出现一个温度的极大值，这一点的出现通常在开启后的20～22 min.不同功率灯具极大值点的位置，以及达到稳态的时间基本相同，只是最大温度值和达到稳定后的温度值不同.当LED灯功率为3，5，7 W时，最大温度值分别为325，327，329.2 K，达到稳态时的温度分别为323，326，328 K.

图4 基板温度随时间变化曲线Fig.4 Bottom surface of substrate temperature variation with time

翅片散热器的散热过程是由散热器本身的导热和翅片与周围空气的自然对流传热这两个不同的传热环节组成的.在自然对流过程中，一般采用格拉晓夫数Gr作为判断流动形态转变的依据，但由于翅片的存在，空气在翅片间的流动，属于通道内模型，所以要用雷诺数Re的大小来判断空气的流态［8］.随着温度上升，自然对流增强，空气流速加快，在20 min时温度达到最大值，此时针对实验装置的尺寸、物性和流速计算得到的Re为1300～1350，而一般内部流动Re＞2000，即开始从层流向湍流过渡，考虑散热器翅片尺寸和翅片间距相对较小，不可用一般通道内的标准来衡量，故根据本文的实验结果，在竖直放置的翅片散热器中，Re达到1300，流态就开始向湍流过渡.由于湍流的出现强化了传热，使得温度在达到最大值后出现降低.

2 数值模拟

由以上实验可以得出LED翅片散热器基板温度随时间的变化，但无法得到翅片散热器的其他传热性能.为了全面地分析LED散热器的传热特性，对图1所示的LED灯具的传热过程进行数值模拟，考虑到一般家用LED灯工作时间较长，大多处于稳态，所以利用CFD数值计算软件对其进行稳态热分析.

2.1 计算模型及边界条件

计算域由散热器本身和其周围的空气域组成，分别定义散热器为固体域，周围空气为流体域.为了使模拟条件与实验时放置灯具的无流动房间一致，空气计算域必须取的足够大，大空间的边界条件取为压力入口边界条件.考虑温差而引起的浮升力作用，所以在计算中引入了Boussinesq假设.

针对物理模型，主要控制方程如下:连续性方程:

动量方程:

能量方程:

式中:u为x轴速度分量;v为y轴速度分量;w为z轴速度分量;ρa为室环境空气密度;k为导热率数;Cp为定压比热容.

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-slip boundary condition)，即在固体边界上流体的速度等于固体表面的速度.

2.2 计算结果及分析

当LED灯功率为7W时，翅片散热器内的温度分布如图5.

从图5中可以看出，由基板发热面产生的热量沿着散热器基座及翅片伸展方向传递，由于基座呈圆柱形，以及翅片的均匀分布，可以看出整体的温度分布比较一致，热量在翅片散热器内的热传导过程，并不是沿单一的方向传递，在整个温度场中，肋片底端的温度是最低的.表2为基板实测温度和数值模拟温度的比较.

图5 散热器内温度分布Fig.5 Radiator temperature distribution

表2 基板实测和模拟温度结果Table 2 Experimertal and simulation results of substrate temperature

从表中可以看到，实验测量值普遍比模拟计算值高2～3 K，以功率为7 W的样品为例，实测基板最高温度稳定在328K，与数值模拟的325K相差3 K，相对误差为0.91%.相对误差较小，在允许范围内，所以模拟结果是较为准确的，证实了模拟的可靠性.根据CFD软件导出单个翅片内表面的热流密度，再由此根据公式:

式中:q为热流密度，W/m2;h为表面传热系数，W/(m2·K);Δt为温差.

计算出不同功率下LED散热器单个翅片平均的表面传热系数，结果如图6所示.

图6 单个翅片表面传热系数Fig.6 Tinsurface heat transfer coefficient

图6中，L为翅片长度，随着功率的增大，表面传热系数略有增加，但影响不大，总体的平均表面传热系数在4.60～4.62 W/m2·K-1.这与文献［8］给出简化公式的计算结果一致，如果用大空间竖壁自然对流的实验关联式计算［9-10］，表面传热系数为9.1 W/m2·K-1，与数值计算结果相差较大，说明对于竖直放置的翅片散热器，不能用大空间竖壁自然对流的理论进行分析，而应该用通道内的流动进行分析，这与前面的实验研究及分析也是一致的.

3 结论

1)LED灯开启后，随着散热器温度上升，翅片与环境间的自然对流增强，使得翅片间空气速度增加，温度升高到一定值时，空气流态从层流向湍流过渡，由于流态的变化，引起表面传热系数的增大，使得散热器的温度在达到稳态前有一极值.

2)对于同一种结构的翅片散热器，随着热负荷的增加，加强了空气流动，传热系数有增大的趋势，但差别不大;对于文中所研究的翅片散热器，其表面传热系数基本不随位置的变化而变化.

3)对于竖直放置的LED翅片散热器，大空间自然对流的实验关联式不适用，应选用简化公式;流态的变化应使用Re数进行判断.

References)

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