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基于icepak的LED散热片的数值模拟及分析

2017-09-04廖丹

科技视界 2017年9期
关键词:数值模拟

廖丹

【摘 要】本文利用icepak软件对LED散热片的温度分布进行了数值模拟,得到功率增加时会使得底面温度近似直线上升,并分析了肋片的厚度、间距和高度对其散热效果的影响。

【关键词】icepak;LED散热片;数值模拟

0 前言

发光二极管,英文全称为Light Emitting Diode(LED),其布局为一个电致发光的半导发体原料,放置在某个架子上,其内安排了引线,继而四周用树脂密封,起到保护里面部件的目的,达到LED的抗震效果比传统的灯泡佳。LED光电转换效能控制在百分之十五至百分之二十之间,剩下的电能几近变换为热能,所以在LED电器作业时,还会发生很多热量需要散发出去,否则会影响LED路灯的使用寿命等。

LED存在严重光衰的现象,关键原因是温度,造成了LED路灯光衰的主要原因。光衰这种失效是指LED发出的光强度不高于新开发的电器,光衰水平早已是评估LED照明商品寿命的重要指数。光衰失效的原因有很多,在这里我们主要讨论温度对光衰的影响。

LED的散热形式有自然对流散发热量、加装电扇强迫散发热量、热管散发热量等[2-3]。其中,电扇强迫对流散热需要安装电扇,对于一些小型LED来说,较为不变,也增加了生产和维护成本;热管散热成本较高,技术还有待开发。因此,用处最多的还是自然对流散热。本文通过icepak对LED的散热片进行了自然对流的数值模拟分析。

1 研究对象

市场上销售的发光二极管路灯一般是把PN结产生的热能经过底座-焊锡-焊铝板电路层-传热绝热层-铝覆铜箔层压板(即铝基板)-传热硅橡胶密封垫片-铝制冷却器,最后在空气中散热,这样的一个过程完成了散热的全部经过。为了满足计算精度和电脑计算资源的需求,在本实验中自然对流换热过程中的大空间为3400×3400×3400mm。

图1所示是发光二极管路灯铝型材散热器,是本文研究的物理模型结构示意图。其结构基板尺寸为240mm×206mm×4mm,肋板厚度是3mm,中间最大的间距为15mm,其余均为10mm,肋板高度从中间到外侧依次为30mm。

2 数值模拟及结论分析

物理模型在仿真模拟的过程中,本文作出如下假定情况:1)忽略辐射传热的影响;2)空气流动是定常;3)空气在散热器壁面处于无滑移的;4)冷却器基板底面看做热源;5)冷却器和空气的物理参数是固定不变的数值;6)冷却器肋板材料均匀,稳态;7)大空间中的空气符合Boussinesq近似;8)冷却器放置在环境温度为为20℃的大空间中。

本模拟网格划分全部由Icepak自带网格处理工具完成。网格数为4.5万,节点为47万,间隙间布置为3,按1:2的比例布置,边界布置为2。面对齐率为0.67(大于0.15)。选用常用的标准к-ε模型湍流模型,5个常数取值分别为:c1=1.44,c2=1.92,c?滋=0.09,?滓k=1.0,?滓?著=1.3[1]。

在迭代求解的过程中,迭代步残差要小于给定量为计算收敛的前提,1e-07是能量残差,连续性值为0.0001。

本模拟的边界条件设置如下:肋片表面为无滑移边界条件,而计算域空间的六个面均设为opening。

当热源功率从30W逐渐增加到110W时,肋板平均温度以及底面最高温度将随之增加,近似线性关系。具体结果见图2所示:

图3显示了数值模拟结果的温度分布及流场示意图,从中可以看出冷却器肋板的温度是分层分布的,与空气接触的顶端散热效果比较理想,温度也比较低,温度梯度也比较小。而随着与底板热源接触的越近,温度较高,温度梯度也比较大。

3 优化分析

为了优化发光二极管路灯散热器的散热构造,本文需要对肋板三个因素进行分析包括:厚度、间距和高度,每个因素设置5个数值。模拟结果如图4所示。

通过本文模拟实验,在30W的热源功率情况下,可以看出肋板厚度对冷却器的散热影响最大,肋板间距次之,最后是肋板的高度。通过以上模拟实验可以的得出,在一定的情况范围内,冷却器的肋板厚度和间距越小,发光二极管路灯的散热效果就越好,反而肋板的高度没什么明显的作用,在本实验中可以看出在尺寸分别是厚度3mm、间距10mm和高度为35mm时散热器模型的散热效果最佳,但是肋板厚度和间距越小的同时也要考虑实际加工过程的困难程度,要从实际出发。

4 结论

本文通过icepak软件对LED散热片的温度分析进行了数值模拟,可以看出当热源功率增加时,肋板平均温度以及底面最高温度将随之增加,并呈现近似线性关系。还通过对比不同的肋片厚度、间距和高度的模拟结果,得出肋板厚度对冷却器的散热影响最大,肋板间距次之,最后是肋板的高度。

【参考文献】

[1]杨世铭,陶文铨.传热学[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

[2]陈启勇.LED路灯散热器自然对流研究[D].重庆大学,2011.

[3]刘静,刘春生.大功率LED照明器的热设计[J].光学与光电技术,2008,6(5):91-93.

[责任编辑:田吉捷]endprint

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