基于正交数值试验的大功率LED灯翅片散热性能研究

胡红斌，刘红军，林　坤，徐　蕾

（哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室深圳风环境技术工程实验室，广东 深圳518055）

基于正交数值试验的大功率LED灯翅片散热性能研究

胡红斌，刘红军，林坤，徐蕾

（哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室深圳风环境技术工程实验室，广东 深圳518055）

发光LED芯片是一种热敏元件，如果LED芯片产生的热量不能有效散出，将导致PN结的结温升高，进而严重影响其工作性能。因此，散热已成为影响大功率LED灯性能以及制约大功率LED灯发展的关键因素，是当前大功率LED灯研究的热点和难点之一。为研究非定常对流换热下LED的散热性能影响因素，采用正交试验研究了翅片厚度、翅片间距、翅片高度、散热器底板厚度以及开缝条数对LED的散热性能的影响效果，并通过对实验结果分析得出了最优翅片模型。

LED；散热；正交数值试验；影响因素

LED具有低功耗、长寿命、无污染、抗冲击、发光效率高且易控制等显著优点，但是LED本身为热敏元件，如果芯片产生的热量未能及时散出，将导致PN结温度升高，进而引起发光强度降低、光谱红移、寿命大幅缩短以及封装材料性能劣化等问题，因此，散热问题已成为LED大规模应用亟需解决的关键问题之一。Shaeri等研究了散热片开孔来加强散热性能［1］；陈柏仁等研究了蜂巢式散热翅片对LED芯片散热性能的影响［2］；姬文飞研究了如何优化散热器结构来增加LED芯片的散热性能［3］。自然对流模式下被动式散热装置散热的基本原理是［4］：翅片表面温度高于周围空气，进而对其表面附着的空气薄膜进行加热，空气薄膜被加热后因压力降低而向上浮动，周围又有空气不断补充，如此循环形成气体流动。对流换热的性能则不仅取决于固体与流体之间的温差、流体的种类和物性参数等，还取决于流体的热流场与速度场之间的相互协同程度。为了对散热装置的整个协同散热过程进行深入的分析研究，并考虑流场随时间的变化，需要建立散热翅片与外流场的非定常耦合散热模型。本文通过正交数值试验对非定常耦合散热模型中的影响因素进行分析，从而确定不同影响因素对LED散热性能的影响。

1　实验设计

1.1实验原理

在LED翅片的定常散热模型中不考虑外部流场随时间的变化情况，整个散热过程被视为一个稳定的状态，但是在实际的散热过程中，变化的外部环境以及流场中存在的湍流都会影响翅片的外部流场，因此采用定常散热模型分析翅片的散热过程存在一些误差，而采用非定常耦合散热模型能够更加接近翅片真实的散热过程。在数值模拟方面，非定常流动模拟条件与定常流动相比，需要将稳态计算方式变为瞬态计算方式，由此也会带来计算量的大幅度增加，受限于计算机性能的限制，早期的研究大多只对散热翅片外部流场进行定常分析，但是随着电子技术的发展，现在的计算机性能已经能够满足非定常计算的需要，因此，针对翅片散热问题，建立非定常耦合计算模型并对其进行分析。建立非定常耦合散热数值模型后，通过正交数值试验来研究大功率LED灯翅片在不同因素的影响效果，对多种因素下不同水平下LED的散热性能进行分析，从而提高LED灯翅片的散热效率来降低功耗。

1.2实验工况设计

研究非定常对流换热下LED的散热性能影响因素，主要从以下几个方面进行考虑：翅片厚度、翅片间距、翅片高度、散热器底板厚度以及开缝条数。为了研究不同因素的影响效果，需要对多种因素下不同水平下LED的散热性能进行分析。依据主流LED构造，将各种因素水平布置在表1.

表1　各因素水平表

为了缩小数值模拟计算的工况数量，在分析散热器各结构尺寸对其温度场的影响时，采用正交试验设计法确定模拟计算工况，然后依据确定的计算工况对参数化模型进行非稳态的热耦合分析。

正交试验设计法是用“正交表”来安排和分析多因素试验的一种梳理统计方法［5］。这种方法是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，充分利用标准化的正交表来安排试验方案，并对实验结果进行计算分析，最终达到减少实验次数，缩短试验周期，迅速找到优化方案的一种科学计算方法。

正交试验设计需要确定指标、因素和水平等参数。在实验中需要考察效果的特征值，简称为指标。指标是和实验目的相对应的，本文通过设置LED最高温度作为试验指标来考查LED的散热性能。在正交试验里，因素也称为因子，是试验中考查对实验指标可能有影响的原因或因素，它是试验当中重点考察的内容。本文因素分别为翅片厚度、翅片间距、翅片高度、散热器底板厚度以及开缝条数。试验中选定的因素所处的状态和条件称为水平，本文各因素下的水平如表2所示。

表2　L4（23）表的格式

从表2看，该表是一个3列4行的矩阵，每个因素占用1列，该表最多能考察3个因素，每个因素分为2水平，共有4个横行，也就是有4个试验方案，每1行是1个方案。假如采用A因素占第1列，B因素占第2列，C因素占第3列，则：1号方案为A1B1C1，2号方案为A1B2C2，3号方案为A2B1C2，4号方案为A2B2C1.

依据上文分析，影响LED散热因素为5个，每个因素取4个水平，以LED最高温度为试验指标，选取正交表L16（45）.正交试验设计表如下表3.

表3　正交试验设计表

2　实验结果及分析

2.1实验结果

根据正交实验表1-3中的16种工况，对LED散热系统进行非定常热耦合分析，各种工况下的最高温度如表4所示。

表4　16种工况的模拟结果

2.2实验结果的极差分析

极差分析方法又称直观分析法，可以将因素水平的变化所引起的实验结果间的差异反映出来，它的大小反应了因素变化时指标的变化幅度，极差越大，该因素的影响越显著。根据极差分析，得出表5.

表5　极差分析表

通过极差分析表可以发现，翅片厚度对芯片温度的影响最大，散热器厚度也是影响芯片温度的重要因素之一，但是散热器厚度的作用小于翅片厚度。翅片间距、高度以及开缝条数的极差均小于2，对散热的影响作用较小，这三种影响因素的作用效果按由强到弱依次为：开缝条数、翅片间距和翅片高度。

3　结束语

通过对散热器与外部流场的耦合作用研究，提出全新的非定常耦合散热模型，针对翅片厚度、散热器底板厚度、翅片间距和翅片高度等影响因素运用正交实验方法建立工况进行数值仿真模拟，并找到了最优翅片模型，对于有效提高散热器各部位翅片的散热效率具有重大指导意义，本文研究内容总结如下：

（1）在非定常对流换热模型中同时考虑散热翅片与外部流场的温度耦合作用和外部流场随时间变化的特性，建立了LED散热系统的非定常耦合散热模型。

（2）由分析可知，翅片厚度和散热器厚度对LED芯片散热性能有较大影响，是其敏感因素。

（3）翅片间距、高度以及开缝条数对散热的影响作用较小，这三种影响因素的作用效果按由强到弱依次为：开缝条数、翅片间距和翅片高度。

（4）通过极差分析方法确定散热性能最优的翅片厚度为3.1 mm，散热器底板厚度为7 mm，开缝条数为3条，翅片间距为15mm，翅片高度为40 mm.

［1］Shaeri，M and Yaghoubi，M.Thermal enhancement from heat sinks by using perforated fins［J］.Energy Conversion and Management，2009，50（5）：1264-1270.

［2］陈柏仁，马小康，蓝浩玮，等.蜂巢式散热翅片应用于高功率LED散热的研究（英文）［J］.太原理工大学学报，2010，41 （005）:554-563.

［3］姬文飞，徐光明，严华锋.发光二极管灯具散热器优化结构设计［J］.光源与照明，2009，（003）：8-10.

［4］Tanda，G.Natural convective heat transfer in vertical chan nels with low-thermal-conductivity ribs［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29（5）：1319-1325.

［5］盛永莉．正交试验设计及其应用［J］．济南大学学报，1997，7 （3）：69-73．

Study on the Thermal Performance of High Power LED Lamp based on Orthogonal Numerical Test

HU Hong-bin，LIU Hong-jun，LIN Kun，XU Lei
（Shenzhen Engineering Lab for Wind Environment and Technology，Shenzhen Key Lab of Urban&CivilEngineering Disaster Prevention&Reduction，Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China）

Light emitting LED chip is a element which is sensitive to heat，if the heat produced by the LED chip can not be effectively dissipated，will lead to PN junction temperature increased，which seriously affects the its working performance.Therefore，heat dissipation has become a key factor which influences the performance of high-power LED lamps and the development of large power LED lamps.It is one of the hot and difficult points in the research of high power LED lamps.In order to study the thermal performance factors of LED under unsteady convective heat transfer，this paper research the heat dissipation effect of fin thickness，fin pitch，fin height，radiator base plate thickness and slot number by orthogonal experiment，and through the analysis of the experimental results，the optimal fin model is obtained.

LED；heat dissipation；orthogonal numerical test；factors

TM923.02

A

1672-545X（2016）07-0045-03

2016-04-12

“基于微观流动分析的功率型LED翅片散热研究”（项目编号：JCYJ20130329145813840）资助。

胡红斌（1992-），男，安徽人，在读硕士研究生，研究方向：流场分析及流动控制；林坤（1984），男，山东聊城人，博士，助理研究员，研究方向：流场优化、风洞试验技术。