烟囱式LED散热器的自然对流散热研究

李 斌, 唐瑜梅, 涂 朴

(1.四川文理学院智能制造产业技术研究院， 四川 达州 635000；2.四川文理学院智能制造学院，四川 达州 635000)

烟囱式LED散热器的自然对流散热研究

李 斌1,2, 唐瑜梅2, 涂 朴1,2

(1.四川文理学院智能制造产业技术研究院， 四川 达州 635000；2.四川文理学院智能制造学院，四川 达州 635000)

圆形LED散热器是近几年的研究热点。我们对一般圆形散热器和烟囱式散热器进行了建模，运用有限体积法(FVM)进行了数值仿真，讨论了翅片个数和烟囱高度对散热器的影响。仿真结果表明,翅片个数和烟囱高度均对散热器的热性能影响显著,并存在最优的翅片个数和烟囱高度。通过对两种散热器的温度比较得知烟囱式散热器可加快散热,提高换热效率。对翅片个数和烟囱高度进行了最优化设计，结果显示优化后的烟囱散热器在热性能上比原有的圆形散热器提升了20%。

散热器；自然对流；烟囱效应；LED；散热；照明

引言

LED被认为是即将普及的第一代照明光源。 LED灯具的散热一直以来是其核心技术之一。 以自然对流为主的被动式散热目前是LED灯具的首选散热方式。 其中平行翅片式散热器是最常见的被动式散热器,主要原因在于其拥有绿色环保、结构简易、价格便宜等特点。 同时,对于圆形结构的LED灯具应该由圆形的散热器进行散热[1]。传统的圆形散热器通常由一个基板、若干翅片和一个用于固定翅片的圆环组成[2]。

为了强化散热器的散热效率,需要对散热器进行更革新的设计。 强化散热器的散热效率有多种方法，比如,使用有孔的翅片;使用泡沫式散热器;在翅片中添加黄铜等。 M.R.Shaeri[3]等证明了使用有孔的翅片不仅可以提升翅片的散热效率还可以降低散热器自身的重量。 C.Byon[4]研究了一种铝制泡沫式散热器。 该研究显示，在同等多孔性条件下铝制泡沫散热器比针状翅片式散热器更有优越性。 T.M.Feng[5]等在同等外部条件下对比了纯针状翅片散热器和加有黄铜针状翅片散热器的散热性能。 实验结果证明在雷诺数为10000的时候,加有黄铜的散热器比纯针状式散热器的换热效率提高了17.0%～78.4%。除了上述的案例,还有其他学者们做了关于强化散热器换热效率的研究[6-8]。

前述的散热强化方式在实践过程中均有一定的困难,比如加工复杂和成本提升。 因而需要更有效更简易的方式来提高换热效率。 本文提出了使用“烟囱效应”来强化散热。 在圆形散热器外部附加一圆筒,通过对空气的聚集来提升翅片周围的空气流动速度。 同时,对烟囱到基板的距离进行仿真设计,探究该距离对强化力度的影响。 并对该高度和翅片个数进行最优化设计,从而达到最高的换热效率。

1 散热器模型几何尺寸及计算模型

1.1 散热器模型几何尺寸

常见的LED圆形散热器即为本次研究的仿真模型,如图1(a)所示。 圆形散热器由圆形基板、方形翅片、固定翅片的中心圆环组成。 为了提高散热器的散热性能,本文提出了一种改善后的散热器,如图1(b)所示。 该散热器是基于原有的散热器上在翅片周围附加了一个圆筒,构成“烟囱”。

散热器的尺寸基于市场上广泛应用的产品尺寸。 横向直径和高度分别为60 mm和38 mm (翅片高度：Hf=35 mm; 基板高度：Hb=3 mm)。 外部圆筒的厚度为0.5 mm;翅片的长度为14 mm;翅片的厚度为1 mm;翅片个数N的范围为15～30; 且每个翅片以均匀的间距分布。 内部圆环的内直径为20 mm; 外直径为32 mm。 烟囱的厚度为1 mm;烟囱底部到基板的距离为烟囱的高度(Hc)，其取值范围为2～35 mm。 烟囱的顶部与翅片顶端持平;烟囱离基板的距离越大，则烟囱的高度越小。 当距离为35 mm时,则为未改善的散热器模型。 我们对基板底部进行均匀加热,模拟LED灯的热源。 热源功率的取值范围为5 W～20 W。 散热器由6061 T6型号铝材构成,其传导率为167 W/(m·K),取铝的表面发射率为0.2。

图1 两种散热器模型Fig.1 Two kinds of heat sinks

图2 仿真模型Fig.2 Numerical model

1.2 计算模型及边界条件

本次研究采用ANSYS ICEPAK基于有限体积法(FVM)进行数值仿真。 为了确保求解域的大小对仿真结果无影响,求解域的体积被设置为散热器整体体积的5倍。 空气流动为层流、不可压缩并且具有稳定的热性能。 外部气压设置为一个大气压(1atm)，周围温度设置为20 ℃。 采用HD网格器进行划分网格来提高求解精度。 网格数由15 420到186 514区间进行网格测试,最终选择温度没有太大的变化时取最小网格数进行求解。 为了模拟自然对流散热，求解域的顶部及四周设置为opening，底部模拟地面而设置为wall来模拟实际的安装环境。 在散热器底部附上热源,对散热器进行均匀地加热,热源功率取值范围为5～20 W。x的方向为重力方向。 热源外部由胶木材质覆盖,模拟绝热条件。 仿真模型如图2所示。 本文中对温度进行了无量纲化,其计算公式如下:

式中k是铝合金的导热系数,Tavg是散热器的平均温度,T∞是周围的环境温度,qw是应用于散热器底部的平均热流密度,R是散热器径向半径。

2 计算结果及分析

散热器翅片对散热器整体的影响很大。 因此,本文讨论了翅片个数对温度的影响。 散热器翅片个数过小时,散热面积少,温度高,散热效果不理想。 翅片个数过多时,翅片间的间距减小,空气流动缓慢,同样也造成散热不充分。 所以,翅片的最优化设计是学者们研究的热点。 如图3所示，翅片个数为25时,散热器的温度最低。 此时得到最优的散热效果。 烟囱的高度对散热器性能的影响也是本次研究的重点之一。 当烟囱的高度过低，翅片被包围，空气受到阻碍不能流入翅片槽中。 当烟囱的高度过高,不能产生“烟囱效应”,散热性能低下。 因此，烟囱的高度需要得到优化设计。 图4 给出了烟囱高度对散热器温度的影响结果。由图4可知，当烟囱高度为12 mm时，散热器的温度最低,此时得到最优的烟囱高度。

图3 翅片个数对无量纲温度的影响Fig.3 Effect of fin number on non-dimensional temperature

图4 烟囱高度对无量纲温度的影响Fig.4 Effect of chimney height on non-dimensional temperature

图5给出了在固定功率下两种散热器翅片槽内的速度场分布图。 图5(a)为烟囱高度为12 mm的烟囱散热器翅片槽,图5(b)为未改善的散热器翅片槽。 经过对比两个速度场分布图可知烟囱散热器的热性能明显比原有的散热器热性能优越。在散热器翅片外围围上一个封闭的圆筒，使得空气能够聚集并快速地进入翅片槽内，形成“烟囱效应”。没有圆筒的散热器翅片槽内的空气流动均匀,但是流动速度较小。为了评估烟囱效应给两种散热器的影响程度，图6给出了两种散热器的温度分布图。烟囱的存在明显地影响了散热器的热性能，这与文献[9]研究的内容相符合。热源功率由5 W逐渐升高到20 W,两种散热器的无量纲温度也随之升高，温差也逐渐增大。热源功率为5 W时,烟囱散热器的无量纲温度为45.8；原有的散热器无量纲温度为53.3。热源功率为20 W时, 烟囱散热器的无量纲温度为93；原有的散热器无量纲温度为116。计算得知,烟囱散热器在原有的散热器基础上热性能提升了20%。

图5 两种散热器翅片槽内的速度场分布图Fig.5 Velocity profiles in fin channels of heat sinks

图6 烟囱散热器和无烟囱散热器的无量纲温度分布图Fig.6 Temperature profiles of two kinds of heat sinks

3 结论

通过对两种散热器进行建模和自然对流条件下的仿真研究,可得到以下结论：

1) 散热器翅片过少,散热面积减少,散热器温度升高; 散热器翅片过多,翅片槽内空气流动减弱,散热器温度也升高。 因此,散热器存在一个最优的翅片个数。本次研究中散热器的最优个数为25。

2)在原有散热器的翅片外围围上一个封闭的圆筒, 可形成“烟囱效应”,从而加强散热器的换热效率。

3) 圆筒的高度过小,阻碍空气进入翅片槽, 散热器换热效率降低; 圆筒的高度过大, 不能形成“烟囱效应”,散热器的换热效率也降低。 因此，存在一个最优的烟囱高度。 本次研究中,最优的烟囱高度为12 mm。

4) 翅片个数为25和烟囱高度为12 mm时的烟囱散热器在换热效率上比原有的散热器提升了20%。

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[2] LI B, BYON C. Investigation of natural convection heat transfer around a radial heat sink with a concentric ring, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015,89:159-164.

[3] SHAERI M R, YAGHOUBI M. Thermal enhancement from heat sinks by using perforated fins. Enery Conversion and Management, 2009,50:1264-1270.

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[6] LI B,JEON S, BYON C. Investigation of natural convection heat transfer around a radial heat sink with a perforated ring, International Journal of Heat and Mass transfer,2016,97:705-711.

[7] ELSHAFEI E A M. Natural convection heat transfer from a heat sink with hollow/perforated circular pin fins. Energy, 2010,35:2870-2877.

[8] 梁融, 聂宇宏, 聂德云, 等. LED散热器散热特性分析及结构优化. 照明工程学报, 2014，25(1)：94-97.

[9] PARK S J, JANG D, LEE K S. Thermal performance improvement of a radial heat sink with a hollow cylinder for LED down light applications. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015,89:1184-1189.

照明行业三大基地在北京揭牌

2017年6月7日，由中国照明学会、北京照明学会、中国传媒大学、北京清控人居光电研究院(以下简称“清控光电”)、北京清城同衡照明设计院，北京清城品盛照明研究院携手共建的照明行业三大基地——中国半导体照明应用创新中心(筹)、北京照明学会科普教育基地、中国传媒大学教学科研基地，在清控光电办公楼新址揭牌。来自北京、上海、深圳、广州、西安、济南、南昌、武汉、吉林、昆山、乌兰察布等多省市的政府部门，以及来自全国照明行业生产、实施、检测、研发等各领域代表近百人参加揭牌仪式。

清控光电荣浩磊院长与大家分享了基地未来发展规划： 基地将以价值展示体验交流为核心， 先通过周期性的专题活动，将社会需求和行业价值有效对接，让具有专业价值的好产品得到用户的认可和应用;促进市场进一步向公平有序的方向发展;最终积累沉淀为共享资源平台、知识库、数据库，推动照明行业价值的全面体现，提升中国照明产业的产品水平，把中国制造推向世界。

Study on A Chimney LED Heat Sink Subject to Natural Convective Heat Transfer

LI Bin1, 2, TANG Yumei2, TU Pu1, 2

(1.DazhouIndustrialTechnologyInstituteofIntelligentManufacturing,SichuanUniversityofArtsandScience，Dazhou635000,China; 2.Schoolofintelligentmanufacturing,SichuanUniversityofArtsandScience，Dazhou635000,China)

Radial heat sinks are studied frequently recent years. In this study, a general radial heat sink and a new radial heat with a cylinder which named chimney heat sink are investigated. We studied the two kinds of heat sinks by simulation subject to finite volume method(FVM). The effects of fin number and cylinder height on the thermal performance of heat sinks are investigated. The results indicate that cylinder height and fin number affect the thermal performance significantly. There exist an optimal fin number and cylinder height. Radial heat sinks with a cylinder can enhance heat dissipation due to its chimney effect. Optimizations of cylinder height and fin number were done in this work. The optimal chimney heat sink enhances the thermal performance up to 20% by comparing to the previous heat sink.

heat sink; natural convection; chimney effect; LED；heat dissipation; lighting

四川文理学院科研项目资助(项目编号:2016KZ009Y)

TM923

B

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.019