1 引言

作为第4代光源的发光二极管(LED),具有色纯度高、抗震动、低能耗、无频闪、寿命长和配光多样性等一系列优点^[1-3],在各个照明领域被广泛应用。随着对LED要求的提高,其功率慢慢增大,若其产生的热量不能及时发散出去,其温度会逐渐升高,从而导致可靠性降低^[4]。

散热器设计优劣对提高LED散热能力起着决定性的作用^[5]。为此,国内外学者进行了大量研究。如Dialameh等^[6]研究发现在等截面翅片直角中,翅片的高度和长度的比值及高度和宽度的比值都会影响散热器的散热性能。Culham等^[7]的研究表明随着散热器翅片数量增多,热阻会降低,但是存在上限,当达到上限时,继续增加翅片数量并不能使热阻降低。何凡等^[8] 设计了一种能满足250 W大功率LED散热要求的散热器,该散热器利用导热纯铝材料,采用叠片方式成型,通过增加散热面积和提高散热器材料的导热系数等方式有效降低了LED结温。马验宗等^[9]运用控制变量的方法,探索了散热器翅片厚度、曲率及微结构对散热性能的影响规律,并进行了优化。王林习等^[10]针对散热器底部的空气滞留区,对翅片进行了开缝研究,研究表明:翅片的开缝设计可以使空气的流动状态变为多向,从而增强散热效果。张薇等^[11]通过对典型空冷翅片管束的流动传热性能进行数值模拟,得到了开缝翅片管束的流动阻力和传热系数随迎面风速变化规律。张建新等^[12]以一款LED投光灯为研究对象,得出不同倾角下的散热器肋间风道内的流速分布存在很大差异,并且最佳间距附近的散热器性能对倾角的敏感度最高,散热能力的方向效应不容忽视。

为了在提高LED散热器散热能力的同时,降低散热器的质量,延缓热边界层的形成,本文不仅对LED太阳花散热器进行了开缝设计,同时对其进行了交错处理。利用Solidworks软件构建散热器的三维模型,通过Flow Simulation插件对不同参数的模型进行热仿真,研究了开缝间距和开缝数对散热器散热能力的影响。

2 理论与模型建立

2.1 理论基础

流体在固体表面不存在流体运动,传递能量只能靠对流进行^[13]。用牛顿冷却公式可以衡量外部坏境和散热器表面之间的热量交换,牛顿冷却公式表示为

Q=Ah(TS-T∞),(1)

式中Q表示表面换热量,A为散热表面积,h表示表面换热系数,T_S表示壁面温度, T∞表示环境温度。由(1)式可知,增加散热表面积和表面换热系数都可以增加固体表面的换热量,减小空气与热沉之间的热阻,降低结温。表面换热系数可表示为

h=-k∂T/∂yy=0TS-T∞,(2)

式中k为空气导热率。由(2)式可知,表面换热系数与固体表面的温度场有关,可以通过改变固体表面的温度场及气体流场分布来改变固体表面的换热系数大小,从而增强散热性能。

2.2 模型建立

本研究设计了一种开缝交错的LED散热器,整个散热系统由散热器、LED光源、基板组成。5个LED光源在基板上均匀分布,基板安装在散热器上。所设计LED散热器的结构和各部分尺寸如图1所示。

散热器的开缝交错过程如图2所示,图2中模型A是未经开缝交错设计的太阳花散热器,将其每

图 1. 散热器示意图。(a)结构图;(b)剖面图

Fig. 1. Schematic diagram of radiator. (a) Structure drawing; (b) cutaway view

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图 2. 散热器开缝交错过程。(a)模型A;(b)模型B;(c)模型C

Fig. 2. Slot and stagger processing of radiator. (a) Model A; (b) model B; (c) model C

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个翅片进行开缝处理,即得到模型B,模型B的单个翅片分为若干个小翅片,将其单个翅片中的半数旋转15°,可得到最终的模型C。

3 热仿真

利用软件对所构建三维模型进行热仿真。散热器采用挤压铝6061,热导率为236 W/(m·K)。基板采用铝基板,横向热导率为100 W/(m·K),纵向热导率为2 W/(m·K)。为了使热仿真更快速地进行,将LED光源设置为底面半径为4 mm、高为2 mm的圆柱体,在基板上均匀分布。并将LED光源设置为体积热源,输入功率为8 W,光电转换效率为20%。模拟的环境温度设置为20 ℃,初始网格精度设置为4,将散热器系统整体设置为精度为8的局部初始网格,并进行网格独立性验证,保证仿真结果的正确性。

以图2(a)中的传统太阳花散热器模型A为基础,进行深入研究和优化。未经开缝交错设计优化的散热器模型,经软件热仿真得出其LED最高温度为58.91 ℃,如图3所示。散热器质量M=183.81 g。

4 实验

通过对芯片输入功率为8 W的模型A进行实物实验检测,来验证以上热仿真的正确性。实物样品由机械加工制得的铝制散热器和芯片及基板组成,其中基板和散热器之间由导热硅胶连接。

图 3. 基础模型温度

Fig. 3. Temperature of basic model

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本实验选用设备DC-source Konstanter SSP1000-52提供电压,选用设备Agilent 34970A进行温度监测,选用设备Oven UNE400为实验样品提供20 ℃的恒定工作温度环境。测试样品、监测点、实验测试平台如图4所示。实验在封闭温控箱内进行,将工作温度控制在20 ℃,然后将芯片在额定工作电压下不间断点亮90 min后,测取各监测点温度读数。

从表1各测量点的对比结果可以看到:基板表面两个点实测与仿真得到的温度相差在2.4 ℃之内,误差不超过4.8%,散热器表面两个点实测与仿真得到的温度相差在2.0 ℃之内,其中最大误差为5.1%。监测点实际测量的温度与仿真得到的温度基本一致,平均误差为4.6%,在允许范围内,验证了仿真结果的准确性^[14]。

图 4. (a)测试样品及(b)实验测试平台

Fig. 4. (a) Test sample and (b) experimental test platform

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5 实验结果和讨论

5.1 开缝数对散热效果的影响

首先,通过调整翅片开缝数量,来探究开缝数对散热器散热能力的影响。保持开缝宽度D=1 mm不变,利用软件模拟出了不同开缝数量下LED最高温度的变化。因开缝数量过多会增大散热器加工难度,故开缝数量的范围取3~9个,实验结果如图5所示。

图 5. LED最高温度随开缝数的变化

Fig. 5. Relationship between the highest temperature of LED and the number of seams

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如图5所示,随着开缝数量的增加,LED最高温度呈直线下降趋势。分析其原因在于,随着开缝数的增多,单个翅片被分为更多的小翅片。LED芯片工作时产生的热量传递到附近的空气中,附近的空气吸收热量后密度下降,与上方的空气形成密度差,产生浮力,使空气沿着翅片上升。小翅片数量和小翅片间缝隙的增加使上升的空气可以绕过各个翅片,经由翅片间的缝隙继续上升,与各个小翅片进行对流换热,从而带走热量。从图5还可以看出,随着开缝数的增加,散热器的质量也逐渐降低,当开缝数从3增加到9时,散热器的质量下降了4.57 g,但散热性能反而上升。由此可见,对散热器翅片进行开缝设计,可以有效提高其散热性能,并降低其质量。综上,取开缝数为9,此时LED芯片的最高温度为55.12 ℃,散热器的质量M=176.96 g。

5.2 开缝宽度D对散热效果的影响

在5.1节的研究前提下,进一步对开缝宽度D的大小进行优化。保持开缝数量不变,调整开缝宽度D,通过实验得到了D在1~1.7 mm变化范围下,相应的LED芯片的最高温度及散热器质量M,其结果如图6所示。

图 6. LED最高温度随D的变化

Fig. 6. Relationship between the highest emperature of LED and D

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由图6可以得出,D从1 mm增加到1.4 mm的过程中,LED芯片的最高温度由55.12 ℃升高到55.79 ℃,上升了0.67 ℃。当D从1.4 mm继续增加到1.7 mm,LED芯片的最高温度急速上升,依次上升了0.71,0.77,0.79 ℃。出现此现象的原因为:随着开缝宽度的增加,散热面积逐渐变小,当散热器的散热面积由于开缝减小到低于其所需要的散热面积时,散热面积不足以满足散热需求,故温度快速上升。牛顿冷却定律为

ϕ=λSΔT,(3)

式中ϕ为热功率,λ为物体表面的对流换热系数,S为物体散热表面积,ΔT为物体表面温度与环境温度差值。由(3)式可以看出,散热面积的减少,会减少对流传热带走的热量,从而使LED芯片的最高温度上升。当开缝宽度D增加到1.4 mm以上时,散热器的散热面积已不足以满足散热需求,故温度快速上升。从图6还可以看出,随着开缝宽度的增加,散热器质量M直线下降,但伴随而来的是其散热能力的降低。为了使LED芯片的最高温度尽可能低,取D=1 mm,此时LED芯片的最高温度为55.12 ℃,散热器质量M=176.96 g。

经优化后,LED散热器附近的温度场分布如图7所示。

图 7. LED温度场分布图

Fig. 7. Distribution diagram of the temperature field of LED

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如图7所示, LED工作时的最高温度出现在LED芯片处,热量从LED芯片传导到铝基板上,并向上继续传递给散热器,再由散热器传递到空气中。

6 与传统太阳花散热器对比

根据上述研究得出当开缝数为9、开缝宽度D=1 mm时,散热器的散热性能最优。以上述研

究为基础,对输入功率为8~16 W的开缝交错散热器和传统散热器进行对比,得到了相应的LED芯片的最高温度,其结果如图8所示。

图 8. 不同功率下开缝交错散热器与传统散热器对比

Fig. 8. Comparison of slotted and staggered radiator and traditional radiator with different powers

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从图8可以看出,经过开缝交错设计的散热器的散热性能明显优于传统散热器,并且随着输入功率的增加,二者LED芯片的温度差逐渐增大。在输入功率为26 W时,经过开缝交错设计的散热器的LED芯片的最高温度为122.15 ℃,仍可满足最大温度低于125 ℃的LED安全工作温度上限,而后者LED芯片的最高温度为130.83 ℃。可见,开缝交错设计使LED芯片的最高温度降低了8.68 ℃,并且使散热器的质量下降了6.85 g。二者附近的温度场分布和空气速度流动迹线分布对比分别如图9和图10所示。

从图10可以看出,在自然对流状态下,采用开缝交错方式对翅片进行改进后,整个散热器结构周围的空气流动状态发生了显著变化。进入传统散热器翅片之间的空气粒子呈近直线上升状态,而进入开缝交错设计后的散热器翅片间的空气会在上浮过程中受到交错翅片的分流,开缝交错减小了翅片间

图 9. (a)开缝交错散热器和(b)传统散热器的温度场分布

Fig. 9. Distribution diagram of the temperature field of (a) slotted and staggered radiator and (b) traditional radiator

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图 10. (a)开缝交错散热器和(b)传统散热器的空气速度流动迹线分布

Fig. 10. Distribution diagram of the air speed flow trace of (a) slotted and staggered radiator and (b) traditional radiator

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的流动阻力,使自下而上运动的空气可以从开缝处或翅片间隙进入翅片内部,然后在浮力的作用下继续向上运动。翅片的分流作用延缓了热边界层的形成,增加了流动空气扰动,流动状态由单向变为多向,使翅片间空气流速提高^[15],并改善了通常存在于散热器底部位置的空气停滞区域中的空气流动困难问题,使散热能力得以增强。

7 结论

为了提高LED散热器的散热性能,并降低其质量,对传统LED太阳花散热器进行开缝交错设计。先进行实物实验,证实了模型仿真步骤的正确性。然后对开缝数量和开缝宽度进行了优化,得到的最佳参数设计为:开缝数为9,开缝宽度D=1 mm。此时,LED芯片的最高温度为55.12 ℃,质量为176.96 g。另外,随着功率的增大,开缝交错设计使散热器散热性能得到了显著的提升。在输入功率为26 W时,二者LED的最高温度差为8.68 ℃,而且开缝交错使散热器的质量降低了6.85 g。由此可见,散热器的开缝交错设计有效延缓了热边界层的形成,改善了翅片周围流场的流动特性,充分发挥了各个翅片的散热能力。