基于烟囱效应的太阳花型散热器的优化设计

2014-09-01王金亮叶仁广

机电信息 2014年21期

关键词：花型烟囱散热器

王金亮叶仁广

(1.中国计量学院材料与科学学院，浙江杭州 310018；2.宁波佰仕电器有限公司，浙江宁波 315470)

基于烟囱效应的太阳花型散热器的优化设计

王金亮1叶仁广2

(1.中国计量学院材料与科学学院，浙江杭州 310018；2.宁波佰仕电器有限公司，浙江宁波 315470)

主要通过引入烟囱效应，加强空气对流，增强太阳花型散热器的散热能力。采用ANSYS有限元分析软件，研究了肋顶直径、肋底直径、散热环半径以及厚度等参数对散热能力的影响，通过模拟结果可知，选取合理的参数能够适当提高散热器的散热能力，减小散热器质量，节约成本。

烟囱效应；散热器；有限元分析法

0 引言

新一代的光源LED因节能、环保、寿命长、可靠性高等优点备受瞩目，然而，LED的散热问题仍制约着该行业的发展[1-2]。本文在前人研究的基础上[3-4]，基于ANSYS有限元分析法，详细研究了烟囱效应对于散热器散热性能及质量的影响，并与同参数下的普通太阳花型散热器进行比较，最后通过实验验证了仿真结果。

1 理论与模型建立

基于ANYSY软件的有限元分析法对散热器的散热能力进行热分析。ANSYS软件是一款专业的热分析软件，可处理3种热传递类型，即热传导、热对流以及热辐射。

1.1 理论模型

在三维直角坐标系中，根据热力学第一定律有：

(1)

式中，λ为导热系数；T为温度；qν为发热率；τ为时间；cν为比热容。

铝为各向同性材料，散热片体积为V，边界曲面为S，由于环境温度Ta和空气对流换热系数α已知，即散热片的边界曲面S满足第三类边界条件(在Γ3边界上)，在第三类边界条件下式(1)可变为：

(2)

将散热片离散成n个单元和m个节点，得方程：

(3)

式中，[C]为比热容矩阵；[K]为热传导矩阵；{Q}为节点的热流率矩阵。

由式(3)可求得各节点的温度值。

1.2 模型的建立

实验选取深圳铭翔光电有限公司的功率为15 W的贴片型灯珠。其中，COB芯片直径为16 mm，厚度为0.6 mm。灯珠基板为铝基板，尺寸为20 mm×20 mm×1 mm。在ANSYS12.0中建立模型，参数如表1所示。

根据一般情况，对散热器设定以下约束条件：

(1) 我们选择CREE公司的蓝光LED芯片，设定其发热率为85%。设该芯片的产热率为Q，即：

表1 散热器结构参数

(2) 铝的导热系数为200 W/(m·K)，密度为2.7×103kg/m3。LED芯片的导热系数为130 W/(m·K)。

(3) 环境温度设为25 ℃，空气的对流换热系数为10 W/(m2· ℃)。

ANSYS软件下采用稳态模拟，结果如图1所示，芯片最高温度为59.03 ℃。

图1 散热器表面温度分布情况

2 散热器的优化

2.1 对肋底直径的优化

选择肋顶直径为64 mm，保持散热器其他结构参数不变，仅改变肋底直径，分析肋底直径变化时其散热能力的变化情况。当肋底直径分别为62.92 mm、68.68 mm、80.2 mm时，散热器质量分别为410 g、421.5 g、445 g，芯片温度分别为66.99 ℃、63.97 ℃、54.37 ℃。可知，减小肋底直径，芯片温度将明显升高。这是由于底部面积的减小限制了空气的流入，烟囱效应也会相应减弱，散热效果就明显减弱。

2.2 对散热环厚度的优化

选择上述优化参数，保持散热器其他结构参数不变，仅改变散热环厚度，分析散热环厚度变化时其散热能力的变化情况。当散热环厚度分别为0.5 mm、1 mm、1.5 mm时，散热器质量分别为412.4 g、428.5 g、445 g，芯片温度分别为59.40 ℃、59.49 ℃、59.63 ℃。可知，在散热环厚度变小的情况下，散热器质量与芯片温度都相应降低，其中散热器质量的下降幅度更是明显。

2.3 对散热环半径的优化

改变散热器外环的半径，分析散热环半径变化时散热能力的变化情况，得到数据如图2所示。

图2 芯片温度与散热器质量

由图2可知，在散热环半径增大时，芯片温度逐渐降低，但是散热器质量会随着散热环半径的增大而增加。当散热环呈曲线型时，空间占用率较小，且更为美观。

综上所述，取肋顶直径64 mm，肋底直径80.2 mm，散热环半径300 mm，散热环厚度1 mm。模拟优化后的散热器，芯片温度60.1 ℃，散热器质量421.7 g。模拟相同参数下的太阳花型散热器，芯片温度64.59 ℃，散热器质量425.3 g。由上可知，基于烟囱效应的散热器的散热效果与质量都优于普通太阳花型散热器。另外，文章所设计的散热器表面温度更低，且温度分布更均匀。在室内常温25 ℃的条件下，实验使用FLUKE温度传感器(精度±0.1 ℃)对优化后的散热器进行温度测量，在散热器温度达到稳定时，测得实际温度为64.3 ℃，同比于模拟结果仅相差4.2 ℃。