LED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)

1 引言

随着大功率发光二极管(LED)越来越广泛的应用,其相比于传统照明光源的优势已经受到广泛认可。但在LED的发光过程中，是靠PN结中的电子发生跃迁产生光能，在其发光光谱中不含红外部分，故其产生的热量不能靠辐射散发。目前，LED只有20%左右的电能转化为光能[1，2]，其余的能量都转化为了热能。而LED的工作寿命和其芯片温度关系密切。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[3]。现阶段国内外诸多学者对LED的散热结构进行了数值模拟和实验研究[4]，刘雁潮和刘静等人分别利用Icepak软件对大功率LED路灯进行建模仿真,研究了肋间距，肋厚度，换热面积等结构的优化。

本文以强化LED散热器的散热效率为目标，对家用LED灯具散热器的自然对流冷却过程进行了研究。采用CFD软件对散热器在自然对流的大空间内的换热过程进行了耦合数值传热计算。根据计算结果，提出了LED散热器的结构优化方案。

2 散热器模型几何尺寸及计算模型

2.1 散热器模型几何尺寸

现有是家用LED灯具散热器的结构如图1所示，具体参数列于表1。

图1 现有LED散热器结构Fig.1 LED radiator

表1 散热器尺寸Table 1 Radiator size

2.2 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。为了保证散热器在自然对流的模拟中的准确性，空气流动计算域必须取的足够大[5]，这样大空间的边界条件就能取为压力入口边界条件。数值模拟时可以近似把问题看成三维，稳态，常物性，有内热源的导热和对流热耦合问题[6，7]。由于是模拟自然对流，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[8]。

针对物理模型，列主要控制方程如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

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。

3 散热器散热特性计算结果及分析

图2为图1所示的灯具在功率为5W时，计算得到的散热器表面的温度分布。为方便分析，表2列出了不同功率下，原型散热器的基板温度、传热系数和热阻。

图2 原型散热功率5W时温度分布Fig.2 Temperature distribution when the power is 5W

散热器的整个散热过程是其本身的导热和肋片与空气间对流换热的耦合过程，由于LED家用灯具的功率一般在5W～15W左右，所以肋片表面温度一般不会超过100℃，故辐射传热可以忽略[9]。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[10]，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较长，空气进入肋片后，形成的热边界层阻碍了热量传递。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，对散热器的结构进行优化。为了减小热边界层的厚度，在原有的肋片形式上，采用开缝的方法，使连续的肋片变成断开型的，从而达到减薄边界层的目的。

表2 散热器模拟结果Table 2 Simulation result of radiator

4 结构优化后散热特性分析及计算

根据以上的分析，对现有LED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3 优化后的设计方案结构图Fig.3 Design scheme after optimization

表3 优化后的散热器尺寸Table 3 Radiator size after optimization

针对优化后的散热器结构，分别在功率分别为5W，7W，10W的情况下，进行了数值模拟研究，温度的计算结果如图4和图5所示。

图4 方案一功率为5W时温度分布Fig.4 Scheme 1:temperature distribution

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基板最高温度随功率的变化图。

图6 三种散热器基板最高温度随功率变化图Fig.6 The highest temperature variation with power

从图6中可以看到，优化后方案一的基板温度最低。图7为三种散热器表面传热系数随功率变化图。

图7 三种散热器表面传热系数随功率变化图Fig.7 Heat transfer coefficient variation with power

从图7中可以看出，对于同一种形式的散热器，表面传热系数基本不随功率的变化而变。这是因为，随着功率的提高，对流换热量Q提高的同时，散热器表面平均温度T也提高，从而使得其与周围冷却介质的温差ΔT提高。所以根据h=Q/AΔT，两者共同作用，使得表面传热系数无明显变化。 而方案一的表面传热系数与现有换热器相比，提高了30%。

从图6、图7中还可以看到，对于不同散热器的结构形式，基板温度都随着功率增加而增加，而表面传热系数基本不变，这是符合实际情况的。优化后的方案一在各功率下散热情况都是最优的，其表面传热系数与现有的散热器相比提高了30%，使得传热热阻变小，从而基板温度最低，这在散热器的实际收益中是显而易见的。所以对于本文研究的散热器进行开缝形式的模型优化是可取的。但优化后的方案二的传热系数增加很小，但热阻却变大，基板最高温度也比现有的散热器高。这是因为，开缝导致有效的散热面积减小，(h1A1)>(h3A3),导致R3>R1。所以在追求h变大的同时，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(hA)最大，达到最佳的改进方案。

5 结论

(1)自然对流条件下，散热器表面传热系数与其结构有关，且不随功率增减而变化。

(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，要综合考虑开缝带来的散热面积的损失。只有综合考虑两者的变化，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。

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