高功率LED太陽花式熱沉的散熱模擬與驗證

曹玉春，陳亞飛，周慧慧，陳其超

（常州大學(xué) 熱能與動力工程系，常州 213016）

0 引言

Light-Emitting Diode（LED），是一種注入電致發(fā)光器件，以其耗電量少、壽命長、響應(yīng)速度快、體積小、無污染、易集成化等優(yōu)點[1]，已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品顯示屏的背光源，汽車前大燈以及城市道路照明等領(lǐng)域[2,3]。目前LED只能將10%-15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，其余的均以非輻射形式轉(zhuǎn)化為熱能[4]。隨著芯片發(fā)光效率和功率的大幅提高，LED結(jié)溫不斷上升，引起應(yīng)力分布不均、發(fā)光效率降低、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降等一系列問題，大大降低了LED使用壽命[5]，因此合理優(yōu)化高功率LED散熱結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。Park[6]等在太陽花式熱沉的周圍加裝空心圓柱體，使整個燈具系統(tǒng)的的散熱性能提高了43%。Jang[7]等以降低燈具熱阻和重量為目的，提出了三維煙囪流的熱沉模式，采用高度不均的翅片形式，使得在整體重量保持不變的基礎(chǔ)上散熱性能提高了45%。廖紹凱[8]等提出優(yōu)化散熱片面積，有效降低芯片結(jié)溫。王長宏[9]等基于有限元分析，采用控制變量法對方形散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化達到最佳散熱狀態(tài)。

本文采用Ansys Icepak軟件針對96W LED工礦燈進行溫度場模擬和分析，以芯片結(jié)溫最低化作為優(yōu)化目標，分別從翅片厚度、翅片個數(shù)、翅片高度以及空心圓柱厚度四個角度對太陽花式散熱熱沉的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化計算，從而達到對該類型工礦燈增強散熱效果的目的。

1 散熱模型的建立與模擬分析

1.1 模型建立

LED模型分為四個主體部分：燈罩、芯片、基板、太陽花式熱沉。研究太陽花式的熱沉結(jié)構(gòu)對溫度的影響，采用SolidWorks建模時，將基板作為發(fā)熱元件，省去數(shù)量多且尺寸小的芯片，可大大減少網(wǎng)格劃分數(shù)量以及求解計算量。同時省略了LED封裝的擴散罩、導(dǎo)線、導(dǎo)熱膠、孔洞、倒角對散熱效果的影響。圖1為燈具結(jié)構(gòu)圖。表1為太陽花式熱沉的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖1 LED模型的結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格劃分

將建好的三維圖通過DM導(dǎo)入到Icepak軟件，根據(jù)表2設(shè)置各材料參數(shù)。燈具總功率為96W，光轉(zhuǎn)換效率為20%[10]，因此基板總熱耗為76.8W。由于熱模型均為DM導(dǎo)入的異形CAD體，選擇六面體占優(yōu)網(wǎng)格（Mesher-HD）根據(jù)模型尺寸進行網(wǎng)格劃分并通過相應(yīng)的標準檢查網(wǎng)格質(zhì)量。

表1 太陽花式熱沉的結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 求解設(shè)置

一般LED工礦燈工作時間較長，多數(shù)處于穩(wěn)態(tài)，因此計算時設(shè)置為穩(wěn)態(tài)熱分析。燈具靠做自然冷卻進行散熱，計算區(qū)域（Cabinet）需足夠大使得遠場處各種變量的梯度足夠小，才能保證計算的精度。在熱模型的上部設(shè)置至少2倍的特征尺寸空間，四周至少0.5倍特征尺寸空間，下部至少1倍特征尺寸空間，設(shè)置計算域的各個外邊界設(shè)置為開放（Opening），其計算域的示意圖如圖2所示?？紤]到空氣密度受溫度影響，引入Boussinesq approximation（布辛涅司克近似）假設(shè)。

針對LED散熱模型，其控制方程如下：質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中u為x軸速度分量，υ為y軸速度分量，w為z軸速度分量。Cp為定熱容，k是導(dǎo)熱率數(shù)。

邊界條件：1）工礦燈工作環(huán)境溫度為30℃，壓力為大氣壓；2）瑞利數(shù)＞109，選擇湍流模型進行計算；3）根據(jù)基板熱耗設(shè)定熱流邊界；4）芯片、基板與散熱器之間接觸良好。

接著進行求解計算和后處理顯示，基板和翅片的溫度分布如圖3所示。然后采用控制變量法，分別對翅片厚度δ、翅片個數(shù)N、翅片高度H以及空心圓柱直徑d各參數(shù)選取不同的值進行數(shù)值模擬，得出芯片結(jié)溫與各參數(shù)的擬合曲線圖[11]。

表2 LED各材料參數(shù)

圖2 LED計算區(qū)域

圖3 基板與翅片的溫度分布

2 模型優(yōu)化

2.1 翅片厚度對散熱效果的影響

在保持其他條件不變的情況下，改變太陽花散熱器翅片的厚度，變化范圍為0.6～2.1mm，每隔3mm取一個值。得到芯片最高溫T隨著翅片厚度δ變化的擬合曲線圖，如圖4所示。

由圖4可以看出當δ變化范圍為0.6～1.2mm時，T呈下降趨勢，這是由于隨著翅片厚度的增加，散熱面積增大，有利于散熱；當δ變化范圍為1.2～2.1mm時，雖然散熱面積在增大，但溫度卻呈上升趨勢。這是由于翅片厚度的增大并不能有效的增加散熱面積，而且大大增加了散熱器的重量，加大制造成本，同時隨著翅片厚度的增加，翅片間距減小，不利于空氣流通。根據(jù)經(jīng)驗值翅片厚度不低于1mm的前提下，盡量減小翅片厚度以降低成本，翅片厚度選取1.2mm最為合適。圖5為翅片厚度取1.2mm時，基板和翅片的溫度分布圖。

圖4 δ對T的影響

圖5 δ為1.2mm時的溫度場

2.2 翅片個數(shù)對散熱效果的影響

保持其他條件不變并使得翅片厚度為1.2mm，變化太陽花散熱器翅片的個數(shù)，其變化范圍為50～55，每隔一個取一個值。得到芯片最高溫T隨著翅片個數(shù)N變化的擬合曲線圖，如圖6所示。

圖6 N對T的影響

由圖可以看出隨著N的增加，T總體呈下降趨勢，這是由于隨著翅片個數(shù)的增加，散熱器的面積得到有效增加，有利于熱量散發(fā)到外部環(huán)境。但是由于受到制作工藝的制約，翅片個數(shù)不可能無限增大，同時翅片個數(shù)過多，就會增加翅片與翅片間的空氣阻力，使得對流不能充分進行，散熱效果變差，這也是當N大于53時，溫度下降趨勢略有減緩的原因。因此翅片個數(shù)選取53最為合適。

2.3 翅片高度對散熱效果的影響

保持其他條件不變并使得翅片厚度為1.2mm，翅片個數(shù)為5 3，變化翅片高度，其變化范圍為46.5～66.5mm，每隔4mm取一個值。得到芯片最高溫隨著翅片高度變化的擬合曲線，如圖7所示。

圖7 H對芯片溫度的影響

由圖可以看出隨著H的增大，T呈下降趨勢，在保證材料消耗量最少的情況下（翅片高度最?。┍ＷC芯片最高溫度不超過75℃，選取翅片高度為62.5mm最為合適。

2.4 空心圓柱厚度對散熱效果的影響

太陽花散熱器的空心圓柱內(nèi)部裝有尺寸固定的驅(qū)動器，所以內(nèi)圓柱直徑（39mm）的大小無法改變，只能對外圓柱直徑進行尺寸的優(yōu)化。

保持其他條件不變并使得翅片厚度為1.2mm，翅片個數(shù)為53，翅片高度為62.5mm，通過改變太陽花散熱器空心圓柱的厚度來改變外圓柱直徑的大小。根據(jù)制作工藝經(jīng)驗值，空心圓柱的厚度不能低于1mm。又由于受到重量的限制，不能無限增大厚度。因此選取空心圓柱厚度d變化范圍為1.1～2.1mm，每隔2mm取一個值，如表3為芯片最高溫度T與空心圓柱厚度d的對應(yīng)關(guān)系。

表3 芯片最高溫度與空心圓柱厚度的對應(yīng)關(guān)系

由表2可以看出隨著空心圓柱厚度的增大，芯片最高溫度減小，這是由于厚度的增大使得散熱面積面積增大，加強散熱。但下降趨勢并不明顯。比較為1.1mm和2.1mm分別對應(yīng)的溫度，空心圓柱厚度相差1mm，增加了91%，而芯片溫度之差只有0.347℃，僅僅降低了0.46%。因此空心圓柱厚度的改變不但沒有使溫度有明顯的改變，而且增加了器件重量，加大了材料的消耗，提高了制作成本，為了保證芯片最高溫度不高于75℃，因此選取空心圓柱厚度為1.5mm最為合適。

3 驗證分析

圖9是太陽花散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模擬結(jié)果，利用探針分別測量燈具的燈罩表面溫度、翅片與基板接觸點的溫度以及翅片尾端的溫度。對照優(yōu)化后的模型尺寸對96W LED工礦燈的太陽花式熱沉進行制作（如圖10），將制好的LED置于30℃的恒溫試驗箱中，通以220V的電壓，待LED溫度穩(wěn)定后，利用激光測溫槍（測試量程為-32-380℃，分辨率0.1℃）分別測量相對應(yīng)的位置，表4是模擬結(jié)果與實驗結(jié)果溫度的對比。

圖8 LED整體溫度分布

由表4可以看出，對于不同位置的溫度測試，其測試結(jié)果與模擬結(jié)果均存在一定的誤差，一是由于模型的簡化（擴散罩、導(dǎo)熱膠、孔洞、倒角、接線盒的簡化）與熱阻的忽略（散熱器與基板接觸面的空氣熱阻）所導(dǎo)致的；二由于用基板代替芯片作為熱源，忽略了芯片與芯片之間的熱耦合現(xiàn)象；三由于激光測溫槍的測量精度相對比較低。但誤差都在允許范圍內(nèi)，因此可以忽略以上因素帶來的誤差，從而減少了建模和模擬過程中的難度。所以以上方案的優(yōu)化與模擬基本反映了該工礦燈的真實溫度分布。

圖9 優(yōu)化后的LED工礦燈

表4 溫度測試結(jié)果及對比

4 結(jié)論

高功率、高亮度、小尺寸是LED的發(fā)展方向，因此散熱問題變得至關(guān)重要，而其散熱性能在很大程度上受到外部熱沉的影響。針對一款96W高功率LED的工礦燈進行散熱模擬優(yōu)化。主要通過優(yōu)化太陽花式熱沉的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以降低芯片結(jié)溫為目的提高燈具散熱性能。結(jié)果表明：翅片厚度為1.2mm、翅片個數(shù)為53、翅片高度為62.5mm、空心圓柱厚度為1.5mm時達到最佳散熱狀態(tài)，此時芯片最高溫為74.9931℃，相對于原始設(shè)計降低了4.0985℃。并對燈具具有代表性的位置進行溫度測試，其測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗證了該優(yōu)化方案的可行性。

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