基于FLOEFD的散热器翅片间距仿真设计

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多优点，如节能、环保、寿命长等，但大功率LED的散热也是一个至关重要的问题。如果LED散热问题解决不好，LED灯具工作一段时间后就会输出光功率减小，芯片加速老化，工作寿命缩短。文章从LED散热问题着手，详细介绍了目前广泛商用的大功率LED器件结构及导热途径、所用散热片的特点，以及LED所用的散热片设计和模拟方法。

关键词 散热；灯具；LED；FLOEFD；翅片间距

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0047-02

随着LED（发光二极管）的功率、发光强度和发光效率大幅度提高，LED作为新型照明光源在市场中的份额逐渐提高，给现代社会生活质量的提高带来了不可估量的影响，正在引发一场全球照明领域的革命。

但是，LED照明产品的仍有极大的技术问题亟待解决，如LED的散热问题就是其中之一。因为LED的发热量大，并且是温度敏感器件。LED的温度升高会影响其寿命、光效、光色（波长）、色温、光形（配光）、以及正向电压、色度和电气参数以及寿命等。所以，散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。

1 LED散热原理

热交换的三种基本方式为：热传导、对流和热辐射。通俗的说，热传导是将热量匀化或传导到指定位置；热对流是将热源表面的热量与介质（常为空气、水等）发生热交换，结果使表面的温度降低；热辐射是将热源的热量通过波的形式（紫外线、可见光线、红外线等）发散到周围的空间中。

对流传热的基本公式是牛顿冷却公式：

Q=hAΔt

q=hΔt

其中，Q为对流传热表面（流体流过或接触的固体表面，即壁面）的热流量，单位W；q为对流传热表面的热流密度，单位W/m?；A为对流传热表面的面积，单位m?；Δt为流体与壁面温差的绝对值，单位℃；h为对流传热的表面传热系数，单位W/（m?·K），表征传热表面的平均对流传热能力。

2 LED散热途径

LED芯片是发热主体。首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片再通过固晶方式传递至封装热沉（heat sink）上面，然后热量通过热沉传递至铝基PCB上，最终铝基PCB与金属制（一般为铝）散热器结合，将热量传递至灯具外部，到达空气环境中。一般LED芯片的热量最终到达空气中需要经过如下各层材料

传导。

3 模拟的产品结构和条件

产品设计结构由LED、铝基板、导热硅胶垫和散热器组成，具体尺寸和结构如图1，散热器翅片间距A为可变，基本设计参数如下。

LED：OSRAM OSLON，10PCS，总功率25 W（3.15V×0.8A×10PCS），发热功率为21.3 W（25 W×0.8）；

铝基板，基材为铝，导热率为200 W/m·K；

导热硅胶垫，厚度0.3mm，导热率为5W/m·K；

散热器，材料为AL6063-T5，导热率为202 W/m·K；

LED间距B：25 mm×25 mm。

图1 散热模组结构图

4 仿真软件和仿真设计条件

FloEFD是新一代流体动力学分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三维机械CAD 环境中高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具。计算3D模型如图2，模拟参数设计如表1。

表1

项目 参数

计算区域 550（X）mm×300mm（Y）×210mm（Z）

环境温度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大气压 1.01 MPa

LED发热功率 21.3 W

散热器辐射率 0.3

散热器翅片间距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

计算网格 34，174

图2 仿真模型及计算域示意图

5 不同间距的结果对比分析

散热器翅片间距为10 mm的模拟结果如图3。

图3 工作温度分布图

6 结论

1）散热器翅片间距越小，散热器温差越低；散热器翅片间距越大，散热器温差越高。

2）散热器底板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻反而增加，底板厚度的最一般为3 mm-6 mm为最佳，本文取5 mm。

3）自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热翅片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热翅片表面不加波纹齿。

4）如果翅片间距太小，两个翅片的热边界层易交叉，影响翅片表面的热对流，根据本文的模拟，一般建议大于6 mm；如果散热器翅片高低于10 mm，可按翅片间距≥1.2倍翅片高来确定散热器的翅片间距。

5）自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

参考文献

[1]毛兴武，等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].人民邮电出版社，2008.

[2]赵阿玲，等.大功率白光LED寿命试验及失效分析[M].照明工程学报，2010.

[3]王静，吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程，2009（4）.

[4]陈才佳，李少鹏.LED封装历程[J].电子工业专用设备.2013（216）：1-4.

[5]过增元.国际传热学研究前沿—微尺度传热[J].力学进展，2000，30（1）：1-6.

[6]鲁祥友，程远霞.用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究[J].半导体光电，2008，29（05）：651.

[7]陶汉中，张红，庄骏.高速芯片模块热管散热器的数值传热分析[J].南京工业大学学报，2004，1（26）：68-71.

[8] Kim L.，Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference，2006，1076-1081.

作者简介

何汉恩（1983-），男，广东番禺人，研究领域：LED及LED照明灯具，汽车照明。endprint

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多优点，如节能、环保、寿命长等，但大功率LED的散热也是一个至关重要的问题。如果LED散热问题解决不好，LED灯具工作一段时间后就会输出光功率减小，芯片加速老化，工作寿命缩短。文章从LED散热问题着手，详细介绍了目前广泛商用的大功率LED器件结构及导热途径、所用散热片的特点，以及LED所用的散热片设计和模拟方法。

关键词 散热；灯具；LED；FLOEFD；翅片间距

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0047-02

随着LED（发光二极管）的功率、发光强度和发光效率大幅度提高，LED作为新型照明光源在市场中的份额逐渐提高，给现代社会生活质量的提高带来了不可估量的影响，正在引发一场全球照明领域的革命。

但是，LED照明产品的仍有极大的技术问题亟待解决，如LED的散热问题就是其中之一。因为LED的发热量大，并且是温度敏感器件。LED的温度升高会影响其寿命、光效、光色（波长）、色温、光形（配光）、以及正向电压、色度和电气参数以及寿命等。所以，散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。

1 LED散热原理

热交换的三种基本方式为：热传导、对流和热辐射。通俗的说，热传导是将热量匀化或传导到指定位置；热对流是将热源表面的热量与介质（常为空气、水等）发生热交换，结果使表面的温度降低；热辐射是将热源的热量通过波的形式（紫外线、可见光线、红外线等）发散到周围的空间中。

对流传热的基本公式是牛顿冷却公式：

Q=hAΔt

q=hΔt

其中，Q为对流传热表面（流体流过或接触的固体表面，即壁面）的热流量，单位W；q为对流传热表面的热流密度，单位W/m?；A为对流传热表面的面积，单位m?；Δt为流体与壁面温差的绝对值，单位℃；h为对流传热的表面传热系数，单位W/（m?·K），表征传热表面的平均对流传热能力。

2 LED散热途径

LED芯片是发热主体。首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片再通过固晶方式传递至封装热沉（heat sink）上面，然后热量通过热沉传递至铝基PCB上，最终铝基PCB与金属制（一般为铝）散热器结合，将热量传递至灯具外部，到达空气环境中。一般LED芯片的热量最终到达空气中需要经过如下各层材料

传导。

3 模拟的产品结构和条件

产品设计结构由LED、铝基板、导热硅胶垫和散热器组成，具体尺寸和结构如图1，散热器翅片间距A为可变，基本设计参数如下。

LED：OSRAM OSLON，10PCS，总功率25 W（3.15V×0.8A×10PCS），发热功率为21.3 W（25 W×0.8）；

铝基板，基材为铝，导热率为200 W/m·K；

导热硅胶垫，厚度0.3mm，导热率为5W/m·K；

散热器，材料为AL6063-T5，导热率为202 W/m·K；

LED间距B：25 mm×25 mm。

图1 散热模组结构图

4 仿真软件和仿真设计条件

FloEFD是新一代流体动力学分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三维机械CAD 环境中高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具。计算3D模型如图2，模拟参数设计如表1。

表1

项目 参数

计算区域 550（X）mm×300mm（Y）×210mm（Z）

环境温度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大气压 1.01 MPa

LED发热功率 21.3 W

散热器辐射率 0.3

散热器翅片间距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

计算网格 34，174

图2 仿真模型及计算域示意图

5 不同间距的结果对比分析

散热器翅片间距为10 mm的模拟结果如图3。

图3 工作温度分布图

6 结论

1）散热器翅片间距越小，散热器温差越低；散热器翅片间距越大，散热器温差越高。

2）散热器底板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻反而增加，底板厚度的最一般为3 mm-6 mm为最佳，本文取5 mm。

3）自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热翅片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热翅片表面不加波纹齿。

4）如果翅片间距太小，两个翅片的热边界层易交叉，影响翅片表面的热对流，根据本文的模拟，一般建议大于6 mm；如果散热器翅片高低于10 mm，可按翅片间距≥1.2倍翅片高来确定散热器的翅片间距。

5）自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

参考文献

[1]毛兴武，等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].人民邮电出版社，2008.

[2]赵阿玲，等.大功率白光LED寿命试验及失效分析[M].照明工程学报，2010.

[3]王静，吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程，2009（4）.

[4]陈才佳，李少鹏.LED封装历程[J].电子工业专用设备.2013（216）：1-4.

[5]过增元.国际传热学研究前沿—微尺度传热[J].力学进展，2000，30（1）：1-6.

[6]鲁祥友，程远霞.用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究[J].半导体光电，2008，29（05）：651.

[7]陶汉中，张红，庄骏.高速芯片模块热管散热器的数值传热分析[J].南京工业大学学报，2004，1（26）：68-71.

[8] Kim L.，Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference，2006，1076-1081.

作者简介

何汉恩（1983-），男，广东番禺人，研究领域：LED及LED照明灯具，汽车照明。endprint

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多优点，如节能、环保、寿命长等，但大功率LED的散热也是一个至关重要的问题。如果LED散热问题解决不好，LED灯具工作一段时间后就会输出光功率减小，芯片加速老化，工作寿命缩短。文章从LED散热问题着手，详细介绍了目前广泛商用的大功率LED器件结构及导热途径、所用散热片的特点，以及LED所用的散热片设计和模拟方法。

关键词 散热；灯具；LED；FLOEFD；翅片间距

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0047-02

随着LED（发光二极管）的功率、发光强度和发光效率大幅度提高，LED作为新型照明光源在市场中的份额逐渐提高，给现代社会生活质量的提高带来了不可估量的影响，正在引发一场全球照明领域的革命。

但是，LED照明产品的仍有极大的技术问题亟待解决，如LED的散热问题就是其中之一。因为LED的发热量大，并且是温度敏感器件。LED的温度升高会影响其寿命、光效、光色（波长）、色温、光形（配光）、以及正向电压、色度和电气参数以及寿命等。所以，散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。

1 LED散热原理

热交换的三种基本方式为：热传导、对流和热辐射。通俗的说，热传导是将热量匀化或传导到指定位置；热对流是将热源表面的热量与介质（常为空气、水等）发生热交换，结果使表面的温度降低；热辐射是将热源的热量通过波的形式（紫外线、可见光线、红外线等）发散到周围的空间中。

对流传热的基本公式是牛顿冷却公式：

Q=hAΔt

q=hΔt

其中，Q为对流传热表面（流体流过或接触的固体表面，即壁面）的热流量，单位W；q为对流传热表面的热流密度，单位W/m?；A为对流传热表面的面积，单位m?；Δt为流体与壁面温差的绝对值，单位℃；h为对流传热的表面传热系数，单位W/（m?·K），表征传热表面的平均对流传热能力。

2 LED散热途径

LED芯片是发热主体。首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片再通过固晶方式传递至封装热沉（heat sink）上面，然后热量通过热沉传递至铝基PCB上，最终铝基PCB与金属制（一般为铝）散热器结合，将热量传递至灯具外部，到达空气环境中。一般LED芯片的热量最终到达空气中需要经过如下各层材料

传导。

3 模拟的产品结构和条件

产品设计结构由LED、铝基板、导热硅胶垫和散热器组成，具体尺寸和结构如图1，散热器翅片间距A为可变，基本设计参数如下。

LED：OSRAM OSLON，10PCS，总功率25 W（3.15V×0.8A×10PCS），发热功率为21.3 W（25 W×0.8）；

铝基板，基材为铝，导热率为200 W/m·K；

导热硅胶垫，厚度0.3mm，导热率为5W/m·K；

散热器，材料为AL6063-T5，导热率为202 W/m·K；

LED间距B：25 mm×25 mm。

图1 散热模组结构图

4 仿真软件和仿真设计条件

FloEFD是新一代流体动力学分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三维机械CAD 环境中高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具。计算3D模型如图2，模拟参数设计如表1。

表1

项目 参数

计算区域 550（X）mm×300mm（Y）×210mm（Z）

环境温度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大气压 1.01 MPa

LED发热功率 21.3 W

散热器辐射率 0.3

散热器翅片间距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

计算网格 34，174

图2 仿真模型及计算域示意图

5 不同间距的结果对比分析

散热器翅片间距为10 mm的模拟结果如图3。

图3 工作温度分布图

6 结论

1）散热器翅片间距越小，散热器温差越低；散热器翅片间距越大，散热器温差越高。

2）散热器底板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻反而增加，底板厚度的最一般为3 mm-6 mm为最佳，本文取5 mm。

3）自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热翅片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热翅片表面不加波纹齿。

4）如果翅片间距太小，两个翅片的热边界层易交叉，影响翅片表面的热对流，根据本文的模拟，一般建议大于6 mm；如果散热器翅片高低于10 mm，可按翅片间距≥1.2倍翅片高来确定散热器的翅片间距。

5）自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

参考文献

[1]毛兴武，等.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].人民邮电出版社，2008.

[2]赵阿玲，等.大功率白光LED寿命试验及失效分析[M].照明工程学报，2010.

[3]王静，吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程，2009（4）.

[4]陈才佳，李少鹏.LED封装历程[J].电子工业专用设备.2013（216）：1-4.

[5]过增元.国际传热学研究前沿—微尺度传热[J].力学进展，2000，30（1）：1-6.

[6]鲁祥友，程远霞.用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究[J].半导体光电，2008，29（05）：651.

[7]陶汉中，张红，庄骏.高速芯片模块热管散热器的数值传热分析[J].南京工业大学学报，2004，1（26）：68-71.

[8] Kim L.，Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference，2006，1076-1081.

作者简介

何汉恩（1983-），男，广东番禺人，研究领域：LED及LED照明灯具，汽车照明。endprint