基于有限元法LED散热强化研究

韩 娜，崔国民，刘国辉，马尚策，周剑卫

（1. 上海理工大学 新能源科学与工程研究所，上海 200093；2. 哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司，哈尔滨 150060）

基于有限元法LED散热强化研究

韩 娜1，崔国民1，刘国辉1，马尚策1，周剑卫2

（1. 上海理工大学 新能源科学与工程研究所，上海 200093；2. 哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司，哈尔滨 150060）

为了解决大功率LED散热问题，构建了包括LED固体部件及外部流体空间的三维数学模型。基于有限元法，应用k-ε模型模拟自然对流换热条件下LED模组散热情况。模拟结果表明，LED模组温度场分布不均，芯片结温较高；受芯片功率密度及位置布设的影响，中心翅片的散热效果差。通过改变散热器结构，设计了两种翅片组合形式，虽然换热面积有所减少，但由于中心翅片的对流换热得到强化，达到了降低结温的效果，提高了散热性能。

大功率LED；数值模拟；热分析；翅片组合；散热性能；温度分布

作为第四代光源，LED具有节能低碳、寿命长、显色性好、响应速度快等优点[1]，是一种新型的绿色照明光源，LED灯具被应用于越来越多的领域中。由于光电转换效率偏低，LED在发光过程中有大量的热产生，产生的废热如果不能被及时带走，将会导致芯片结温过高，引起芯片寿命骤减，发光效率降低，严重时甚至失效。为了解决 LED的散热问题，可以从不同的角度展开研究，最普遍也是最节约成本的方式是将散热性能优良的散热器与封装芯片相结合[2]。散热器设计是解决功率型LED散热的关键[3]，不少国内外学者通过改变散热器结构达到强化LED散热的效果。朱鹏等[4]在矩形平直肋片的基础上提出具有烟囱效应的散热器结构，研究其自身结构尺寸对散热的影响。李灏等[5]针对太阳花散热器通过正交试验从散热器圆柱半径、热沉高度、翅片厚度、翅片数量、翅片长度等方面进行优化设计，得到了散热效率最优化结果。Li等[6]对针状翅片散热器的长度参数进行优化，散热器质量降低30%。王长宏等[7]设计了一种方形散热器，采用单一变量法分析其结构参数对散热性能的影响规律，并进行了结构优化。通过对近年来针对LED散热器优化设计获得的研究成果进行整理归纳，从平行翅片散热器着手进行结构优化，达到改善LED模组散热的目的。

大功率LED散热设计主要是对其稳态下的温度场与流场进行分析，一般可以通过理论计算、实验研究以及软件模拟得到。其中，理论计算难度大，涉及众多数理方程，不便于求解；实验研究需要针对不同设计模型生产样品，成本高且周期较长；计算机软件模拟具有经济、高效、便捷等一系列优点，可以形象地再现物理过程，是进行LED散热初期设计和分析的最佳方式[8]。

本文以大功率LED散热为研究对象，通过热仿真分析软件采用有限元法对大功率LED模组在自然对流条件下大空间的散热过程进行耦合数值传热模拟，根据计算结果，改进散热器翅片组合形式，分析改进后内部翅片的流场变化，得到不同结构形式的翅片组合对散热性能的影响，为LED散热强化及散热器结构优化提供参考。

1 数理建模

对大功率LED的散热系统进行三维建模。大功率LED模组，主要部件有LED芯片、固晶层、热沉、基板（MCPCB）、散热器及驱动电源，由于主要采用LED芯片、固晶层与热沉已封装完好的LED芯片模块，故LED模组主要由LED芯片模块、基板、散热器及驱动电源四部分组成。芯片模块与基板之间涂有导热硅脂，芯片、基板与散热器之间通过螺母固定。LED芯片发光过程中产生热量，通过热传导、对流及辐射三种换热方式进行热量传递。根据文献[9]得知LED通过热辐射传递的热量仅占1.6%，可忽略不计，因此在热分析中只考虑热传导和热对流。

以功率为20 W的平行翅片散热器LED模组为优化对象，模拟其自然对流条件稳态下的温度分布。在绘图软件Solid Works中构建LED模组模型，忽略影响散热的次要因素，对LED模组进行简化。由于电源为外置驱动电源，电源发热量不计入模拟计算时散热器的功率中，因此在模型构建中忽略驱动电源以及用于固定的螺母对散热的影响。

将模型导入热分析软件Icepak中进行模拟计算，计算域由LED模组和周围空气域组成，为了保证计算准确性，空气流动计算域应足够大，大空间的边界条件设为压力入口[10]。同时在减少计算占用资源又保证计算精度的前提下，网格划分采用了局部加密的方式，对芯片模块、基板、散热翅片以及周围温度梯度较大的部分进行网格加密。采用稳态求解的方式，可以得到LED模组在稳定工作情况下的最终温度[11]。

设定光电转换效率为 20%，即可根据芯片的尺寸及输入功率按照 80%的热生成率[11]，按照第二类边界条件加载均匀的热流密度，模型中各部分的参数如表1和表2所示。模拟区域为开放空间，外部开放空间处理为非封闭的自由流体边界，设定一个标准大气压1.01×105Pa。环境温度为20 ℃，重力加速度g= –9.8 m/s2。

对计算模型作如下假设：

a）流动是定常的；

b）空气物性参数为常数；

c）壁面为光滑表面，流体在壁面上无滑移；

d）能量方程式中忽略粘滞损失。

表1 LED模组参数Tab.1 Parameters of LED module

表2 散热器结构参数Tab.2 Structural parameters of the radiator

模拟自然对流条件下平行翅片LED模组的散热情况，数值模拟时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[13]，涉及到热传导及自然对流换热，相关控制方程如下：

连续性方程：

动量方程在x、y、z方向上的分量：

能量方程：

固体导热微分方程：

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，m/s；g为重力加速度，m/s2；p为环境压强，Pa；ρ为受温度影响后空气的密度；ρa为室内环境空气密度，kg/m3；m为空气热扩散系数，m2/s；k为导热率，W/(m·℃)；T为空间温度，℃；Cp为定压比热容，J/(kg·℃)。考虑到换热表面升温对空气运动和换热的影响，将所有气固交界面处理为耦合壁面，温度在固体和气体交界面上是连续的，即

2 散热分析与结构优化

2.1 初始模型模拟结果

在上述模型和设置条件下对LED模组散热进行模拟，图1是得到的稳态下LED模组的温度分布情况。观察温度云图可以看出，整个模型温度分布不均匀，LED模组中心温度最高为72.93 ℃，散热器最外侧翅片顶端温度最低为63.13 ℃。总的温度分布情况是离中心越远温度越低；从上至下温度逐渐降低。整个散热过程是内部热传导及平行翅片散热器与空气对流换热的耦合过程。

分析LED模组散热过程，在无强制通风条件下，芯片产生的热量首先以热传导的方式传递到固体部件（包括基板和散热器），同时周围空气与翅片进行对流换热。LED芯片功率密度较大，散热器中心翅片与边缘翅片的温度分布不同，中心翅片的温度梯度较小，边缘翅片的温度梯度较大，四角温度均低于其他部位的温度。这是因为热量由芯片产生传至环境的过程主要是以放射状的形式在散热器内部传递开来，分布在芯片正下方的散热翅片与位于散热器边缘的翅片不断地将LED芯片产生的热量带走，尽管经过散热器底板的均化，但由于受芯片位置的影响，离中心越远温度越低。加之单个翅片的长度较长，空气流经散热器时，对流换热过程仅仅局限于最外侧翅片和部分内部翅片顶端，相当一部分翅片的对流换热受到影响，导致其整体温度仍相对较高。相对而言，边缘翅片的散热环境好，对流换热面积大，有利于热量散发至环境中，故温度较低。为了提高翅片的散热性能，应加大中心翅片的散热比重。

2.2 结构优化与分析

为了进一步降低芯片结温，提高LED模组散热效果，根据初始模型平行直板式翅片的模拟结果，改善内部翅片的散热环境，加大中心翅片的散热比重。改变散热器翅片的结构，保留中心 5个散热翅片的尺寸不变，从散热器两端最外侧翅片开始减小翅片长度，最外侧翅片长度为 32 mm，变化尺寸间隔为1 mm。将平行直板式翅片组合的散热器设计为对称式阶梯型翅片组合的平板式散热器，保证其他设置参数不变，模拟其在施加相同热载荷下的自然对流换热情况，温度分布如图2。

图1 平行直板式翅片LED模组温度分布Fig.1 Straight parallel plate fin LED module temperature distribution

图2 对称式阶梯型翅片LED模组温度分布Fig.2 The finned symmetric ladder LED module temperature distribution

由模拟结果可知，改进翅片组合形式后LED模组最高温度为67.52 ℃，虽然散热面积有所减少，但由于改善了中心翅片的散热环境，加强了中心翅片与空气的对流换热，使得芯片结温有所降低，说明翅片组合形式设计为对称式阶梯型，有利于中心翅片对流换热的进行，可以提高LED模组的散热性能。

为了深入研究翅片组合形式对散热效果的影响，在对称式阶梯型翅片组合的基础上将翅片组合边缘改为流线型，保证最外侧翅片高度为32 mm不变，以对称中心的翅片顶端为圆弧最高点，构建新模型。再次对新结构LED模组的散热过程进行模拟，温度分布结果如图3所示。

图3 流线型对称式翅片LED模组温度分布Fig.3 Streamlined symmetric fin LED module temperature distribution

图3 为流线型对称式翅片组合LED模组的温度分布情况，最高温度为中心位置65.71 ℃，最低温度为边缘翅片顶部60.07 ℃，与对称式阶梯型翅片组合散热器相比较，最高温降低了1.81 ℃，与平行直板式翅片组合的散热器相比较，最高温降低了7.22 ℃。优化后的LED模组，改善了中心翅片的对流换热情况，有利于热量的散发，将翅片组合边缘设计为流线型更加有利于自然对流条件下，空气在流动过程中与翅片组合对流换热的进行，便于翅片热量散发至环境中，使芯片温度降低，进一步改善LED模组的散热性能。

对比三种翅片组合形式 LED模组的速度场可知，空气流经散热器时沿着外侧轮廓线流动，空气绕流过散热器后再次汇聚向前流动，受散热器结构影响，三种不同翅片结构形式的速度场分布不同，如图4（a）、（b）、（c）所示。根据图4（a）可知，空气绕流模型一后，存在速度盲区且范围较大，部分流体未与散热翅片进行充分热交换，就已经流走。与空气对流换热有限，这是导致内部翅片散热效果差的原因。模型二和模型三则不同，速度盲区范围减小，空气与翅片接触面积增大，便于对流换热的进行，中心翅片顶端温度降低，空气带走更多热量，使得整体散热效果变好。模型三的流线型设计与模型二的阶梯式设计相比较而言，进一步减小了速度盲区的范围，有利于LED模组散热性能的提升改进后的结构不但可以降低芯片结温，还可以减少散热器的材料，节省成本。

图4 不同模型速度分布Fig.4 The velocity distribution of different models

改进之后的两种模型散热面积虽然减少了，但芯片结温均有不同程度的降低。以模型二对称式阶梯型翅片LED模组为基准，将最外侧翅片高度改为28 mm，依次减少1 mm，重新构建对比模型，保证其他设置参数不变，模拟其在施加相同热载荷下的自然对流换热情况。

模拟结果显示芯片结温为78.50 ℃，不但高于模型二的芯片结温，甚至高于初始模型平行直板式翅片LED模组的结温。对于重新构建的阶梯式翅片组合形式对比模型而言，虽然改善了内部翅片的散热环境，但由于散热面积减少程度过大，并未达到提高整体散热性能的效果，所以，在追求增强中心翅片对流换热的同时，也要考虑翅片面积减小带来的影响，综合考虑二者带来的影响，以达到强化换热的目的。

3 结论

基于有限元方法，针对LED模组的结构和散热特点构建了包括LED芯片模块、MCPCB、散热器及外部流体空间的三维数学模型，模拟其在自然对流条件下的散热情况。通过对初始模型与改进模型的数值模拟与分析，可以得到以下结论：大功率 LED模组的散热情况受到散热器翅片组合形式的影响，良好的散热器结构有利于热量的散发，能够降低芯片结温，有效改善LED模组的散热性能。

（1）受芯片功率密度及位置布设的影响，整个模型温度分布不均匀，分布在散热器内部的翅片散热环境差，导致芯片结温高。

（2）为了改善LED模组散热性能，改变翅片组合边缘形式，设计了对称式阶梯型和流线型对称式两种翅片组合，模拟结果表明，改进后的结构加强了中心翅片与空气的对流换热，提高了LED模组的散热能力。

（3）改进后的LED模组可以增强内部翅片的对流换热，但却是以减少散热面积为代价。要综合考虑提高中心翅片的散热比重带来的散热面积的损失，只有综合考虑二者带来的影响，才能使芯片结温降低，达到强化换热的效果。

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（编辑：陈丰）

Strengthen heat dissipation for LEDs based on finite element method

HAN Na1, CUI Guomin1, LIU Guohui1, MA Shangce1, ZHOU Jianwei2

(1. Institute of New Energy Science and Technology, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Harbin Boiler Company Limited, Harbin 150060, China)

A three-dimensional mathematical model of LED hardware and external fluid space was established to solve the problem of heat dissipation of high-power LED. Based on numerical methods of finite element method, the heat dissipation performance of LED model was simulated by k-ε model under natural convection. The result shows that the temperature field distribution of LED models is inhomogeneous and the chip presents to be at a higher temperature. In the meanwhile, influenced by the chip power density and position setting, heat dissipation effect of the center fins is poor. In this case, two forms of fin combination by structure changing of radiator were designed. Despite of the reducing of heat exchange area, heat convection of central fins is intensified, which enhances the capability of heat dissipation and reduces the junction temperature.

high-power LEDs; numerical simulation; thermal analysis; fin combination; heat dissipation performance; temperature distribution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.011

TN603

A

1001-2028（2016）12-0049-05

2016-08-29

崔国民

国家自然科学基金资助项目（No. 51176125）；沪江基金研究基地专项资助（No. D14001）

崔国民（1969-），男，吉林双辽人，教授，主要从事强化传热与过程系统优化研究，E-mail: cgm1226@163.com ；韩娜（1991-），女，河北石家庄人，研究生，主要从事LED封装及散热技术方面研究，E-mail: hannasjz@163.com。

时间：2016-11-29 11:41:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1141.011.html