大功率LED路灯翅片散热器的仿真优化

林雄萍， 郑捷庆

(集美大学 a. 诚毅学院; b. 福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心, 福建 厦门 361021)



大功率LED路灯翅片散热器的仿真优化

林雄萍a,b， 郑捷庆b

(集美大学 a. 诚毅学院; b. 福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心, 福建 厦门 361021)

针对某大型国企现有的50 W LED路灯翅片式散热器模块，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，分析其自然对流情况下不同结构小翅片，即有、无布置斜向小翅片时散热器的温度场，并将其通过实验测试进行验证。研究过程中发现，对于自然对流散热，有斜向小翅片的散热器原型虽然在一定程度上增加了散热面积，但却减缓了散热器表面空气自然对流的上升速度，降低了自然对流的散热量；无翅片不但有效地提高了散热效率，更为重要的是为企业降低了制造成本。

LED； 翅片； 温度场； 散热； 数值模拟； 实验测试

0 引 言

目前，我国LED的生产厂家众多，随着LED技术的发展，LED产品也从暴利时代逐渐走向微利竞争时代。因此，在保证产品质量的前提下，节约成本成为企业的核心竞争力。虽然，热管、微通道技术应用于LED散热也趋于成熟，但由于成本过高，以及从质量稳定性方面考虑，尚无法被市场所接受。因此，在综合考虑企业自身的技术条件和政府的节能减排政策，众多企业的大功率LED路灯产品仍采用传统自然对流散热技术。为了进一步提高企业的产品竞争力，任何一个事关成本控制的改进都能为企业提高竞争力增加筹码。由于大多数LED生产企业的相关设计人员习惯性认为增加散热面积可以提高散热效果，却忽略了气流对散热效果的影响。因此，现有大部分企业的大功率LED路灯翅片散热器布置有斜向小翅片，为了进一步分析斜向小翅片对翅片散热器散热效果的影响，在不影响原有产品基本结构的基础上，拟通过对有、无斜向小翅片散热器分别进行仿真模拟与实验研究，为其今后的结构改进提供理论依据和数据基础。

1 实验原理

1.1 LED散热系统分析

目前，LED的内光量子转换效率还不够高，致使无法将全部输入的电能转化为光能，输入到LED的功率最多也只有30%～40%用于发光[1]，其余均以热能的形式聚集在PN结，如果不能将热量及时散发，就会导致芯片结温上升，从而降低芯片效率和可靠性，加速芯片老化降低寿命。目前，典型的大功率LED芯片热流密度达到100 W/cm2，超出目前微处理器热流密度的两倍[2]。据实验发现，当LED结温超过某一特定值后，其失效率呈现指数上升规律，温度每上升1℃，可靠性下降一成[3]。如果LED工作产生的热量不能及时散发到周围大气环境中去，LED结温就会不断上升，最终将内部器件烧毁，严重影响LED使用寿命。温度过高对LED的光学性能影响包括光谱红移、光强下降和产能下降等方面[4-6]，对LED的可靠性影响包括寿命下降和热应力操作等方面[7-8]。

1.2 散热技术

目前大功率LED的散热方式按照热量被带走的方式可分为两类：主动式散热和被动式散热。主动散热包括：风冷、水冷、热电制冷和热管等。强制风冷散热通常指采用小型风扇产生循环风，依靠强制对流的方式强化传热，该方法操作简单、寿命长、易于实现。水冷散热包括微通道散热和微喷散热[9]。热电制冷[10]是利用帕尔贴效应，通以直流电，就会在其中一个连接点变热，另一个连接点变冷，也称温度发电现象。热管散热[11]则利用热传导原理与相变介质的快速传递性质，通过热管将热量迅速传递到热源外。常见的用于大功率LED散热的被动热管主要有平板热管[12]、环路热管[13]和翅片式热管[14]技术。被动散热方式主要包括以自然对流散热为主的均温板外置翅片散热器、平板热管散热、回路热管散热和翅片式热管散热等技术。这种散热器的换热量与散热片的面积成正比，为了提高散热效果通常采用压铸或机械加工的方法将金属合金加工成带有翅片的散热器，以提高散热面积。常用的金属材料有铝、铜等。本散热器即采用此被动散热技术。

1.3 自然对流换热基本原理

自然对流换热[15]，指的是依靠自身温度场不均，在无外力如风机或者泵作用下引起的流动。LED自然对流散热是指通过导热的方式把LED芯片中的热量导出，再通过高温散热片和空气的自然对流换热来散发热量。根据对流换热牛顿冷却公式：

(1)

在相同平均温差下，接触面积A越大，换热量就越大。为了增大自然对流的换热量，散热器的外表面通常都设计成带肋片的形状，以提高散热面积。

2 大功率LED自然对流散热的实验及分析

2.1 实验装置

大功率LED路灯散热器自然对流散热实验装置由LED散热器(包括24颗功率为2 W的LED灯珠)、控制电源、测量和数据采集系统三部分组成。实验测量设备主要有TMP-1型多点温度巡检仪、电源、热电偶以及固定胶。本实验通过传感器、多点温度巡检仪以及500型科学实验工作室接口采集热电偶的温度信号，利用Pasco科学工作室软件与计算，实现实验数据的实时显示与记录，实验系统原理如图1所示。

图1 实验系统原理框图

2.2 实验步骤

为了保证测量的精准，将LED翅片散热器架设于距离墙面1.5 m，并保证环境温度为20℃，且无明显气流，使用照度计平均测量各个指定点的光照强度是否符合预期，在光源稳定后测量8个点的温度值。由于散热器结构呈对称结构，因此本实验中选取8个特征位置点作为测试点，具体位置如图2所示。

图2 实验测量及模拟仿真测试点位置分布

2.3 实验结果及分析

采用计算机实时监测各测试点的温度变化，待工作稳定后,8个测量点的测试温度分别为48.1、46.5、37.5、31.7、28.9、28.2、31.5、30.9 ℃。从测量结果可以看出，翅片散热器基板部份中心的温度最高，在环境温度控制在(20±0.5)℃的条件下，为48.1℃，由此推算芯片结温在90℃以内，符合上限120℃的要求，说明该产品满足设计要求。总体来看，该散热器的温度分布为散热器底部中心沿基板向外侧以及顶部逐渐降低的趋势，在散热器的顶部达到最小温度，为28.2℃。

针对入海水道工程的上述特点，建成应用后，加强工程巡视检查成为工程运行管理的重要环节，只有加强工程巡视检查，才能对工程安全隐患做到早发现，早处置，早消除，确保工程安全运行，改善水环境，更好地服务于经济建设和人民群众的生产生活需要。

3 大功率LED铸铝翅片式散热器的仿真优化

3.1 理论基础与数值方法

根据计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)[16]，采用有限体积法的Icepak软件对LED路灯的散热器进行模拟分析。Icepak是一款功能强大的仿真软件，它采用Fluent求解器，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。其计算结果，有助于用户直观分析产品特性，降低设计成本，对于改良优化产品性能和提高稳定性起到很大的作用，从而为企业赢得了核心竞争力[17-18]。

以某企业的LED路灯产品，主要应用于隧道照明，年产量约4万盏。该原型产品由3个相同模块的50 W LED灯组组成，见图3(a)，其中单个铸铝模块散热器的结构如图3(b)所示。主体翅片散热器整体呈现弧状结构，内侧布置有斜向小翅片以增强传热面积，提高换热强度。

3.2 数值模拟对比及分析

3.2.1 模型准确性验证

表1给出了在8个测试点的模拟值与实验值。从对比数据可以看出，模型的模拟结果与实验测量结果有较好吻合度，模拟与实验的总体误差<5%，说明采用Icepak的模拟方法能较准确的模拟大功率LED翅片散热器的实际散热情况，表明所采用的模拟方法具有一定的可行性。

(a) 散热器整体图

(b) 单个翅片式散热器模块图

表1 8个测试点模拟值与实验值的对比

通过模拟计算，得到有、无斜向小翅片的翅片散热器的温度分布对比图，如图4所示。两种结构散热器的温度分布均呈现翅根中心温度高，向四周逐渐降低的趋势。但两者相比，无斜向小翅片的翅片散热器温度分布更均匀，特别是翅片散热器根部的中心区域。

3.2.3 局部温度对比

为了进一步精确对比分析有、无小翅片对散热效果的影响，待模拟计算收敛后，选取两种结构散热器模型在相同位置各8个点进行对比，各对比点的位置如图5所示，对比温度值见表2。

从表2可以看出，无斜向小翅片虽然减少了散热器的有效散热面积，却一定程度上提高翅片散热器的散热效果，中心温度下降幅度最大将近5%，8个点平均降低幅度达2.73%。可见，布置斜向小翅片不仅增加制造难度，提高了材料的消耗率，而且增加了生产成本，反而没有起到应有的散热效果。

(a) 有斜向小翅片

图4 有、无斜向小翅片散热器温度分布对比图

(a) 有斜向小翅片

图5 有、无斜向小翅片散热器局部温度对比

4 结 语

将有、无斜向小翅片对LED翅片散热器进行仿真优化与实验研究，对两种结构翅片散热器的温度场进行对比，以及搭建实验台进行实验测试。表明，由于布置了斜向小翅片，虽然增加了翅片散热器的散热面积，却阻碍翅片散热器内自然对流的热空气流动，降低了热空气上升的平均流速，从而降低了散热器的散热效果，且冗余的斜向小翅片在增加产品制造难度和成本的同时也增加了自重。数值模拟和数据比对的结果将为其今后的结构改进提供了理论依据和数据基础。

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Simulation Optimization of High Power LED Lamp Radiator Fins

LINXiong-pinga,b,ZHENGJie-qingb

(a. Mechanical Engineering Department, Chengyi Institute; 2. Cleaning Combustion and Energy Utilization Research Center of Fujian Province, Jimei University， Xiamen 361021, China)

In this paper, a 50 W LED lamp which was produced by a large state-owned enterprise was tested. The fin type radiator modules were compared by using numerical simulation combined with experimental study. It was found that under natural convection temperature field the small fin radiator has no advantage. The research found that for natural convection an oblique radiator fin can increase the radiating area, but slow down the air rising speed, reduced to nature. Instead, no fin radiator not only effectively improves the cooling efficiency, but also reduces the manufacturing cost for enterprises.

LED; fin; temperature field; heat dissipation; numerical simulation; experimental test

2015-12-01

福建省科技计划重点项目(2012H0031);福建省教育厅科技项目A类(JA14367)

林雄萍(1981-)，女，福建莆田人，硕士，高级实验师，主要从事机械类结构设计与优化技术研究。

Tel.：18950181998; E-mail：sunshineanan@126.com

TK 11

A

1006-7167(2016)08-0098-04