用于大功率紫外LED的圓柱擾流散熱器設計仿真

曹露澤，韓秋漪，李福生，，荊 忠，張善端，

(1.復旦大學 工程與應用技術(shù)研究院，上海 200433；2.復旦大學電光源研究所，上海 200438；3.上海邁芯光電科技有限公司，上海 201612)

引言

功率型LED作為極具應用潛力的新型光源，在各個領域不斷被深入研究和應用[1，2]。特別是光固化應用對于大功率紫外LED器件的需求日益急迫[3]，熱管理成為需要解決的首要問題[4]。目前應用于LED系統(tǒng)的主流散熱器包括風冷和液冷散熱器[5-7]。韓秋漪等[8]和錢坤等[9]采用水作為散熱工質(zhì)，比空氣能進一步提高散熱器的換熱性能，更有效地降低LED芯片結(jié)溫，提高光源輻射效率，紫外LED的輸入功率密度達到815 W/cm2。李思琪等[10]設計制備的液態(tài)金屬散熱器具備極高的散熱能力，解決了多顆芯片并聯(lián)的高功率密度光源模塊散熱難題，紫外LED的輸入功率密度高達940 W/cm2。

傳統(tǒng)水冷散熱器通道結(jié)構(gòu)單一、流速損失較大，容易造成沿流動方向熱量累積，表面溫度分布不均。針對水冷散熱器中流體的流動狀態(tài)，當雷諾數(shù)Re=ρυR/μ(υ為速度，ρ為密度，R為管道半徑，μ為流體粘度)較大時流體為湍流狀態(tài)，由于具有一定黏性，流體流過光滑通道壁面時流速會減小，壁面附近存在一層處于層流狀態(tài)的薄流層[11，12]，破壞此層流底層能夠強化散熱。目前強化散熱主要采用插入擾流元件的方式，破壞壁面邊界層，改變流體通道形狀規(guī)則，流體在通道內(nèi)產(chǎn)生漩渦流，提高綜合傳熱系數(shù)。

圓柱形擾流柱作為典型的插入擾流元件，能增大流體間的擾流，進行強化傳熱[13-15]。本文設計了一種應用于大功率紫外LED的圓柱擾流水冷散熱器，通過改變蓋板厚度、圓柱直徑、水槽結(jié)構(gòu)和流速四種方式建立不同模型進行仿真計算，從溫度場和流場角度分析傳熱影響因素[16]。新型散熱器對比全串聯(lián)光源模塊使用的傳統(tǒng)循環(huán)水域散熱器[17]，達到了提高散熱傳熱性能和流動均勻性的目的，為進一步降低芯片結(jié)溫提供了可行設計。

1 新型散熱器設計仿真

1.1 新型散熱器結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)傳熱方程式：Φ=AKΔT，其中Φ為單位時間內(nèi)的傳熱量，可得知增大傳熱面積A和增強傳熱系數(shù)K是強化傳熱的重要手段。工程中應用擾流元件就是典型的通過增強傳熱系數(shù)來提高傳熱量，而擾流元件的形狀和排列方式成為目前關注的熱點。馬小晶等[18]通過數(shù)值模擬的方法研究了不同尺寸和形狀擾流元件對換熱和流阻的影響，研究結(jié)果表明，圓柱形元件具有良好的換熱效果，且在光滑圓管內(nèi)圓柱元件直徑越大，對流換熱效果越好。對于多元件排列方式來說，采用交叉排列方式的傳熱效果要優(yōu)于單一排列方式[19]。

基于上述強化散熱原理，本文采用圓柱體作為擾流元件形狀，提出了一種圓柱擾流水冷散熱器。本設計與晶閘管水冷散熱器[20]的不同之處在于擾流柱直接做在蓋板上，便于加工過程更改蓋板厚度和圓柱直徑。另外，LED熱源相比于晶閘管熱量分布更為集中，后續(xù)優(yōu)化增加擋板放置于LED芯片排列位置，改進為雙進雙出結(jié)構(gòu)，以LED芯片排列軸線對稱分隔兩個腔室，進一步均勻芯片堆積的熱量。

整體結(jié)構(gòu)設計以精簡易加工為主旨，分為上下兩部分：蓋板部分和水槽部分(圖1)。蓋板和水槽之間用金屬螺絲連接固定，蓋板上有圓柱肋片，圓柱排列在以蓋板中心點O為圓心的同心圓上。水槽設計為圓形，單進水管出水管設計在水槽的側(cè)面，其中進水管位于與LED電路條平行的直徑延長線上，出水管偏移45°，兩管口夾角135°，具體尺寸參數(shù)見表1。

表1 散熱器尺寸

圖1 圓柱擾流水冷散熱器Fig.1 Cylindrical disturbed flow water cooling radiator

1.2 仿真模型構(gòu)建

本文對水冷散熱器進行3D幾何建模，建模時忽略螺紋線、金線、密封圈等微小結(jié)構(gòu)，保留金屬基板、絕緣基板、散熱器蓋板、擾流圓柱、水槽以及水域等主體部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。其中，LED模塊為6顆芯片全串聯(lián)的高功率密度UV LED光源模塊，尺寸為60 mm × 19 mm × 6 mm，輸入功率可達300 W以上，如圖2(b)所示。圖2(c)標注了三個探針點位置，分別用來檢測仿真中芯片結(jié)溫、電路基板溫度和水冷散熱器蓋板溫度的變化。

圖2 水冷散熱器3D幾何模型Fig.2 Water cooling radiator 3D geometry model

網(wǎng)格劃分對于仿真計算來說至關重要，影響仿真速度和精度。對模型不同部分進行不同細分程度的網(wǎng)格劃分，水冷散熱器部分采用正常尺寸網(wǎng)格，其中水域部分調(diào)整為流體動力學，其他部分均為普通固體，對于尺寸較小的LED模塊結(jié)構(gòu)則采用較細化網(wǎng)格，如圖3所示。此模型總網(wǎng)格數(shù)在30萬左右，計算時間和精度能夠滿足要求。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model meshing

為方便流場計算中對湍流模型的建模，使用普遍適用的k-ε模型，其湍流動能方程為：

Gk+Gb-ρε-YM

(1)

式中，μ為湍流粘性系數(shù)；σ為脈動動能的Prandtl數(shù)；Dk表示擴散相；Gk表示速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb表示浮力引起的湍動能產(chǎn)生。

升力系數(shù)為：

(2)

斯特勞哈爾數(shù)為：

(3)

式中，St是研究物體擾流時振蕩流的無量綱度量；f為渦脫落頻率；L代表流場中的圓柱直徑；U是來流速度。高雷諾數(shù)時k-ε模型可以捕捉流體經(jīng)過擾流柱后的渦脫落行為[21]，可以對復雜湍流達到良好的仿真模擬效果。

新型水冷散熱器材料及導熱系數(shù)見表2。將各部分材料和參數(shù)在COMSOL中輸入，并在需要錫膏焊接的薄層位置設置等效薄層熱阻，厚度設置為1 mm，熱導率為50 W/(m·K)，能夠模擬焊接層的導熱情況，使得仿真計算結(jié)果更加貼合實際測量結(jié)果。

表2 不同區(qū)域的材料

根據(jù)全串聯(lián)模塊仿真成功預測的經(jīng)驗，同樣用熱通量模擬散熱器表面自然對流，設定約10 W/(m2·K)的對流傳熱系數(shù)。流體部分選擇湍流模型k-ε模型并且選擇不可壓縮流，初始環(huán)境溫度為21 ℃。熱功率依據(jù)6顆芯片全串聯(lián)LED不同輸入功率對應的輻射效率進行設置[17]，在15 A工作電流、電功率324 W、功率密度為643 W/cm2時，采用傳統(tǒng)循環(huán)水域散熱的LED模塊在仿真中結(jié)溫可以達到120 ℃，本文的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果將與傳統(tǒng)水冷散熱器仿真結(jié)果進行對比。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓋板厚度對芯片結(jié)溫的影響

LED熱量通過水冷散熱器蓋板到達流體區(qū)域，是熱量傳遞的重要途徑。不同通道結(jié)構(gòu)的水冷散熱器一般具有相似的蓋板結(jié)構(gòu)，研究蓋板厚度對芯片結(jié)溫的影響對散熱器的設計具有普遍指導意義。本文選取厚度1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm和15 mm進行仿真，計算不同厚度下的芯片結(jié)溫、電路板溫度以及蓋板溫度。

從圖4可以看出，在蓋板厚度<5 mm時，三個探針點溫度隨蓋板厚度的增加有明顯的下降，結(jié)溫從123 ℃降至100 ℃，基板溫度從83 ℃降至62 ℃，溫差超過20 ℃，說明小范圍增加蓋板厚度可以有效提高散熱。LED芯片產(chǎn)生的熱量可以通過金屬銅層迅速傳遞，傳導部分熱量之后剩余熱量到達水域經(jīng)過水流帶走。在厚度>5 mm的區(qū)域溫度變化幅度較小，可以得知通過增加蓋板厚度來改善傳熱是有限的，厚度繼續(xù)增加會影響水冷系統(tǒng)的作用發(fā)揮。在實際應用中，可以避免加工過厚的蓋板，以仿真結(jié)果拐點處的厚度值作為工藝最優(yōu)參數(shù)，減少耗材，降低成本。

圖4 蓋板厚度對探針點溫度的影響Fig.4 Dependence of probe point temperature on the cover plate thicknesses

2.2 圓柱直徑對芯片結(jié)溫的影響

增加換熱面積的一種有效方式是增大圓柱體直徑，來增加圓柱體與水流接觸的表面積。保持擾流的排布不變，將46根擾流柱的直徑由3 mm增加到7 mm，設置優(yōu)化后的蓋板厚度5 mm和統(tǒng)一的流速2.5 m/s，對增大直徑的結(jié)構(gòu)進行仿真分析，得到如圖5所示的溫度結(jié)果。芯片結(jié)溫從106 ℃降至100 ℃，由于銅材的熱導率高，更多熱量會以熱傳導的方式從受熱基板傳至擾流柱，銅柱與流體之間對流換熱面積增大，散熱器整體散熱性能進一步提升。從圖5曲線趨勢分析，繼續(xù)增大擾流柱直徑，三個探針點溫度會繼續(xù)降低?？紤]到直徑增大，擾流圓柱的體積相應增大，柱間流體通道過于狹窄會導致流阻增大[22]，結(jié)合散熱器本身尺寸，直徑優(yōu)化到7 mm左右為最佳。該條件下可使功率密度643 W/cm2的UV-LED模塊結(jié)溫降至100 ℃以內(nèi)的安全工作溫度。

圖5 圓柱直徑對探針點溫度的影響Fig.5 Dependence of probe point temperature on the diameter of cylinder

圖6展示了直徑4 mm、5 mm、6 mm、7 mm時的流速分布圖，可以清楚對比直徑對水流流速均勻性的影響。增大圓柱直徑后，水流流過圓柱的速度明顯增大，而且高流速的水域分布較廣。這是因為直徑的增加導致柱間的間距變小，水流通過每兩根擾流圓柱之間的通道更窄，流過柱間通道后流道截面積增大，流速會隨截面積的增大而減小，而擾流柱排布密度增加會使水流進入下一個柱間通道的距離縮短，減少了流速損失。高流速的水流會更快帶走模塊的熱量，因此芯片下方流體速度大小分布對于水冷散熱器的散熱性能至關重要。

圖6 不同直徑下的流速分布圖：(a)3 mm；(b)4 mm；(c)5 mm；(d)7 mm Fig.6 Flow velocity distribution under different diameters：(a)3 mm；(b)4 mm；(c)5 mm；(d)7 mm

2.3 水槽擋板結(jié)構(gòu)對芯片結(jié)溫的影響

針對上述提到的高流速水流區(qū)域分布不均的問題，本文對水槽結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化，解決芯片正下方高流速水流分布問題。設計水槽為雙腔室，在芯片排列軸線處的水槽直徑位置增加一個薄層擋板，將水槽分為兩個腔室，兩邊各有一個進水口和出水口，且方向相反，可沿擋板壁面形成對沖，使散熱器工作過程中流體溫度更均勻。進水管和出水管夾角取90°，兩邊對稱分布，形成雙進雙出水冷散熱結(jié)構(gòu)，如圖7所示。設定蓋板厚度5 mm、圓柱直徑7 mm進行仿真，溫度曲線如圖8所示，增設擋板的雙進雙出結(jié)構(gòu)相比無擋板結(jié)構(gòu)結(jié)溫降低5 ℃左右。

圖7 增加擋板散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The radiator structure diagram of adding baffle

圖8 各探針點溫度仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of probe point temperature under different thermal power

無擋板和雙進雙出結(jié)構(gòu)流速分布對比如圖9所示，可以看出加擋板后的雙腔室水域高流速水域分布更為廣泛，兩個腔室基本呈現(xiàn)對稱的情況，整體流速提高，擋板附近靠近芯片下方流速達到最高。

圖9 不同結(jié)構(gòu)的流速對比圖：(a)單進水口；(b)雙進水口Fig.9 Flow velocity comparison of different structures：(a)single-inlet；(b)double-inlet

由于擋板的存在，水流從進水管進入水槽之后，在兩個圓柱擾流體之間形成擾動，形成較多旋渦，加強湍流強度，流至擋板位置后受到阻擋，小部分水流折返回來重新經(jīng)過入水口左側(cè)，剩余部分經(jīng)過擾流圓柱繼續(xù)流向出水口。此結(jié)構(gòu)可以明顯改善流速不均的問題，進一步降低了芯片結(jié)溫。

2.4 流速對芯片結(jié)溫的影響

由于擾流圓柱的存在，散熱器流阻增大，流速成為關鍵的影響因素之一，在雙進雙出圓柱擾流結(jié)構(gòu)基礎上，對流速0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s和3.5 m/s分別進行仿真。圖10為流速和溫度的變化關系，0.5～1.0 m/s區(qū)間溫度變化相對明顯，流速3.5 m/s相比于0.5 m/s時結(jié)溫降低9 ℃左右，在泵功和散熱器通道結(jié)構(gòu)壓力允許的條件下，適當增加流速是提高散熱器散熱性能的有效手段。

圖10 流速對溫度的影響Fig.10 Dependence of temperature on the flow velocity

圖11對比了流速0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s和3.5 m/s下的水域速度分布，可以清晰地看到水速越高速度分布均勻性越好。水速較低的時候，圓柱擾流體的阻擋作用會使水流降低到更低的速度，熱量很難被迅速帶走，換熱效果差；當流速增大時，水流迅速通過擾流圓柱之間，加強了柱間擾動，流體的湍流強度增大，提升換熱效果。當水速達到3.5 m/s時，明顯看出擋板附近擾動劇烈，加強與芯片下方基板的換熱。由于水流在柱間碰撞形成旋渦流會使流阻梯度增大，這會使水泵的消耗功變大，需要的電能更多。

圖11 不同流速下的速度分布圖，流速為：(a)0.5 m/s；(b)1.5 m/s；(c)2.5 m/s；(d)3.5 m/s Fig.11 Velocity distribution under different flow velocity：(a)0.5 m/s；(b)1.5 m/s；(c)2.5 m/s；(d)3.5 m/s

2.5 散熱效果對比

本文對原型循環(huán)水域散熱器和圓柱擾流水冷散熱器的散熱效果進行對比，如圖12所示。在15 A的大電流條件下二者芯片結(jié)溫差距明顯，此時光源模塊的電功率為324 W，功率密度643 W/cm2，熱功率260 W，結(jié)溫由120 ℃降至95 ℃，降低了25 ℃，散熱器散熱性能提升16.7%。

圖12 兩種散熱器的散熱效果對比Fig.12 Comparison of the cooling effect of two kinds of radiators

根據(jù)仿真模型的可靠性可以分析，在實際應用中，新型圓柱擾流水冷散熱器可以有效降低結(jié)溫。傳統(tǒng)的水冷散熱器這是由于水流從進水管進入水槽之后速度明顯損失，垂直方向減速嚴重，導致上層水域流動性比較差，帶走熱量速度慢。水平方向上流動路徑較長且無額外換熱元件，容易造成橫向升溫，影響LED光源模塊的均勻性。新型圓柱擾流水冷散熱器在無額外驅(qū)動的條件下可以優(yōu)化水流速度分布，有效降低高功率模塊結(jié)溫，滿足更大功率LED光源模塊應用于地坪固化、光纖固化等實際場景的散熱需求。

3 結(jié)論

本文基于擾流元件強化散熱的原理，提出了一種新型圓柱擾流型水冷散熱器，并對其進行3D建模和仿真。針對散熱器各結(jié)構(gòu)中影響散熱的因素分別進行討論，優(yōu)化了蓋板厚度、擾流圓柱直徑、水槽擋板結(jié)構(gòu)和流速，從流動均勻性和換熱效果兩個角度進行分析，可知增大圓柱直徑、增加擋板改變水槽結(jié)構(gòu)可從散熱器結(jié)構(gòu)出發(fā)使高速水流分布區(qū)域擴大，流速均勻進一步提升芯片陣列溫度均勻性，功率密度643 W/cm2的LED模塊芯片結(jié)溫由120 ℃降低至95 ℃。