大功率LED燈干冰噴射散熱數(shù)值分析

寧靜紅 王寧霞 劉茂

摘 要：【目的】解決大功率LED燈具高效散熱問題。【方法】以干冰為冷卻介質(zhì)，設計出干冰噴射散熱器，通過COMSOL軟件研究干冰噴射對功率為300 W LED燈的散熱特性。【結(jié)果】仿真試驗結(jié)果表明，增大干冰流量能明顯改善傳熱效果，流量由7.85 mL/s增至23.55 mL/s，散熱器相同位置處干冰固相分數(shù)由0.04增至0.34。增大干冰流速可顯著降低基板表面溫度，流速由0.1 m/s增至0.3 m/s，溫度約降低26.4%，且隨著流速增大，降溫效果逐漸減弱?！窘Y(jié)論】與自然對流和水微噴射陣列冷卻方式相比，以干冰為冷卻介質(zhì)的基板表面溫度分別降低44.71％和23.44％；與單相射流方式相比，溫度降低24.1％。干冰噴射冷卻效果明顯提升，溫度更加均勻。

關鍵詞：大功率LED；干冰；噴射升華；散熱器；數(shù)值模擬

中圖分類號：TK172? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）08-0031-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.007

Numerical Analysis on Heat Dissipation Characteristics of Dry Ice Spraying High-Power LED Lamps

NING Jinghong WANG Ningxia LIU Mao

（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve problem of low-efficiency heat dissipation of high-power LED lamps. [Methods] A dry ice cooling radiator was designed for the efficient heat dissipation of high-power LED lamps， and the heat dissipation characteristics of 300 W LED lamps were simulated by COMSOL software. [Findings] The increase of dry ice volume flow significantly improves the heat dissipation， when the volume flow increases from 7.85 mL/s to 23.55 mL/s， the dry ice solid fraction at the same position of the radiator increases from 0.04 to 0.34. The increase of dry ice flow rate can reduce the substrate surface temperature， when the flow rate increases from 0.1 m/s to 0.3 m/s the temperature decreases by about 26.4%， and the cooling effect gradually weakens with the increase of flow rate. [Conclusions] Compared with natural convection method and water micro jet array cooling system， the substrate surface temperature reduced by 44.71% and 23.44% respectively; compared with the single-phase jet mode， temperature reduced by 24.1%. The dry ice cooling radiator performs well and makes more uniform temperature.

Keywords： high-power LED; dry ice; spray sublimation; heat sink; numerical simulation

0 引言

基于固態(tài)照明（SSL）技術的發(fā)光二極管（LED）是近年來最具發(fā)展前景的新型冷光源［1］，因其具有光效高、體積小、光譜窄、開關時間短、壽命長等良好特性［2］，在家庭和工商業(yè)中被廣泛應用，成為目前最具競爭力的照明光源［3］。然而，LED的電光轉(zhuǎn)換效率不到30％，超過70％的能量轉(zhuǎn)換成熱能，若熱能不及時散失，將導致LED結(jié)溫迅速升高，對其光學特性、壽命及顏色穩(wěn)定性均會產(chǎn)生很大影響［4-5］。集成芯片陣列的LED燈具有多個熱單元，熱源之間的熱耦合效應明顯，單位體積內(nèi)的功耗較大，若LED燈的P-N結(jié)溫度超過123 ℃，LED燈將無法正常工作［6］，降低LED燈結(jié)溫是亟待解決的關鍵問題。

在緊湊型LED陣列冷卻設計中，以空氣為工作流體的自然對流和強制對流方式無法在所需的安全工作溫度下提供熱管理。近年來，有學者對優(yōu)化大功率LED燈散熱器進行大量研究，并取得一定進展。唐帆等［7］驗證了開縫交錯設計能明顯增強LED散熱器的對流散熱性能。劉維茜等［8］通過對換熱器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的LED最高溫度較優(yōu)化前略有降低，滿足散熱性能條件下材料的替換，降低工藝成本，簡化制造工藝，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。呂北軒等［9］創(chuàng)新性地提出基于多目標遺傳算法的大功率LED工礦燈結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的新型散熱結(jié)構(gòu)性能顯著提升，工礦燈結(jié)溫降低16.46％，優(yōu)化效果顯著，但仍迫切需要設計出更高效的大功率電子器件降溫系統(tǒng)。有學者對噴霧冷卻進行研究，并驗證了噴霧冷卻的可行性［10-11］。Oliveira等［12］設計出基于常規(guī)制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)，通過微型噴嘴將液態(tài)制冷劑噴射在加熱塊表面上，冷卻效果良好，但表面溫度的均勻性無法得到保障。Hsieh等［13］提出一種以去離子水為工作流體的基于微噴霧的冷卻系統(tǒng)，可冷卻多個功率為5 W的LED陣列，使用單個噴嘴噴霧冷卻獲得的最高傳熱系數(shù)為9 375 W/（m2·℃），極大提高散熱效果。Gatapova等［14］研究不同液體射流方式對LED陣列降溫產(chǎn)生的效果，該系統(tǒng)可將熱流密度為125 W/cm2的模塊表面溫度保持在70 ℃以下，冷卻能力有限。

干冰是固態(tài)二氧化碳，作為一種自然工質(zhì)，其熔點為-78.5 ℃、沸點為-56.6 ℃，相變潛熱很高。呂平等［15-16］學者對干冰清潔技術進行研究，但低溫下干冰的物理特性常被忽略，其可用于大功率電子器件冷卻系統(tǒng)中。Li等［17］設計出一種開放式干冰噴射冷卻芯片系統(tǒng)，為進一步研究干冰噴霧冷卻大功率電子器件提供參考。寧靜紅等［18-19］提出使用干冰噴霧對高熱通量芯片進行散熱，在確定散熱器最佳針柱尺寸和形狀的基礎上，對干冰噴霧的低溫熱力參數(shù)和散熱器結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化。研究結(jié)果證明，該方法能很好地結(jié)合相變傳熱和射流沖擊傳熱，冷卻效果顯著提升，干冰冷卻后的芯片整體溫度分布更加均勻，將CPU芯片的溫度有效維持在較低水平。

為解決大功率LED燈高效散熱問題，以干冰為冷卻介質(zhì)，設計了干冰散熱器，模擬干冰噴射冷卻過程散熱器內(nèi)速度場和溫度場，以入口速度和干冰流量為優(yōu)化變量，分析散熱器內(nèi)固相分數(shù)及LED表面溫度分布，并與自然對流和水微噴射陣列的冷卻方式進行對比，旨在提高散熱器工作效率，保證LED燈能穩(wěn)定安全運行，研究結(jié)果有助于干冰噴射冷卻LED燈的推廣應用。

1 干冰散熱器模型

1.1 物理模型

LED陣列產(chǎn)生的熱量會以熱傳導方式傳遞到PCB鋁基板，鋁基板上的熱量通過導熱膠傳遞到散熱器，降溫減壓后的干冰噴入散熱器，干冰升華會帶走大量熱量，有效降低LED陣列的溫度。為更好研究干冰噴射散熱器的散熱特性，本研究以圓盤LED燈為例，經(jīng)查閱文獻后可知，散熱器為圓筒形結(jié)構(gòu)，由干冰入口、散熱器外殼、流體出口、散熱器底座、PCB鋁基板組成，外徑為50 mm、高度為50 mm、厚度為5 mm，內(nèi)部正三角交錯排布213根直徑2 mm的圓柱形針柱，干冰散熱器的外觀如圖1所示，所用材料參數(shù)見表1。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型為用戶控制網(wǎng)格，針柱和鋁基板采用細化網(wǎng)格，校準為普通物理，干冰進出口及散熱器內(nèi)部校準為流體動力學，網(wǎng)格采用較細化網(wǎng)格，選擇生成邊界層網(wǎng)格，邊角處添加角細化，用來減小尖角處的元素大小，剩余網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，以確保獲得更準確的計算結(jié)果。質(zhì)量測量為偏斜度時網(wǎng)格最小單元為0.192、平均單元質(zhì)量為0.653 3、單元體積比為0.000 546 7。

1.3 控制方程與參數(shù)設置

由于LED燈的熱點集中，可采用射流方法沖擊噴射表面。射流撞擊壁面會破壞邊界層，適用于強化局部點的傳熱。為獲得LED表面溫度和熱通量分布，利用有限元方法（COMSOL Multiphysics 5.5軟件）對LED燈鋁基板進行熱分析。

干冰具有很大升華潛能，將干冰噴入散熱器后，其會迅速吸熱，升華為二氧化碳，沖擊射流結(jié)合針柱間擾流，帶走大量熱。為簡化計算，將干冰噴霧近似為流體，干冰噴霧噴出后溫度為-78.5 ℃［20］。在數(shù)值模擬中，采用非等溫場耦合流動和傳熱過程，在不影響仿真分析結(jié)果的前提下，為簡化求解過程，作出以下幾點假設。①散熱器置于非封閉空間，周圍空間壓力設定為0.1 MPa，同時環(huán)境溫度設定為20 ℃。②忽略重力影響，流體不可壓縮。③熱量通過熱傳導方式從PCB鋁基板傳遞到散熱器底面，最大結(jié)溫低于200 ℃［21］。因此，可忽略熱輻射，處在環(huán)境中的所有散熱器表面按絕熱條件給定。

根據(jù)上述假設，在瞬態(tài)研究中，流固傳熱基于能量守恒方程見式（1）、式（2）。

[ρ]Cp[?T?t]+[ρ]Cpu·?T+?q=Q （1）

q=-k?T （2）

流體流動基于動量方程見式（3）、式（4）。

[ρ ][?u?t]+ [ρ]（u·2）u=2·（-pl+k）+F （3）

[ρ]?·u=0 （4）

相變模型參考方程見式（5）至式（8）。

[ρ]=θ1[ ρ]1+θ2[ ρ]2 （5）

Cp=[1ρ]（θ1 [ρ1]Cp，1+θ2 [ρ2]Cp，2）+L1→2[?αm?T] （6）

[αm]=[12][θ2ρ2-θ1ρ12θ1ρ1+θ2ρ2] （7）

k=θ1k1+θ2k2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中：ρ為材料的密度，kg/m3；CP為相變材料比熱容，J/（kg·K）；T為流體溫度，K；t為時間，s；u為干冰入口速度，m/s；q為對流熱通量，W/m2；k為相變材料導熱系數(shù)，W/（m·K）；Q為干冰的焓，J/kg；d為特征長度，m；μ為動力黏度，Pa·s；θ1、θ2分別為兩種相變材料的體積分數(shù)；αm為質(zhì)量分數(shù)。

2 噴射過程數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 干冰噴射過程

干冰噴射過程如圖2所示，主要由二氧化碳氣瓶、控制閥、減壓閥、氣液分離器、流量調(diào)節(jié)閥、流量計和干冰散熱器組成。液態(tài)二氧化碳經(jīng)閥門后由噴嘴噴射進散熱器，少部分氣體經(jīng)氣液分離器分離出。根據(jù)焦耳-湯姆遜原理，在噴射過程中，二氧化碳經(jīng)減壓閥后溫度急劇下降，并到達氣固邊界，在室溫和大氣壓力下形成干冰顆粒。干冰噴入散熱器后，一部分流體向四周沿上壁面和針柱間的空間擴散，再經(jīng)針柱空隙流出，在散熱器內(nèi)部左右兩側(cè)形成明顯回流；一部分流體也會射流而下，在針柱間形成強烈的流場擾動，抵達被沖擊壁面后，流體沿壁面向四周散開，形成貼壁射流區(qū)，迅速帶走底部熱量。

LED的使用壽命在很大程度上由LED芯片中P-N結(jié)溫決定，通過模擬仿真LED基板溫度得到P-N結(jié)溫，忽略LED封裝各層之間熱阻及LED芯片中P-N結(jié)到焊點之間的熱阻，LED芯片P-N結(jié)溫為LED基板溫度。采用干冰噴射方式進行LED燈散熱，散熱器內(nèi)的溫度場、速度場是用來評價散熱性能的重要指標。對溫度場、速度場進行分析，能有效控制噴射參數(shù)，保證散熱充分，合理控制干冰消耗量。

2.2 干冰流量對固相分數(shù)影響

干冰從入口噴入后會迅速升華為二氧化碳，入口直徑為10 mm、針柱高度為40 mm、針柱直徑為2 mm。不同流量（7.85 mL/s 、23.55 mL/s）對散熱器中固相和氣相分布不均勻度的影響如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可以看出，散熱器中固相分數(shù)與流量大小變化趨勢一致，在500 s時處于平衡狀態(tài)，即溫度趨于穩(wěn)定時固相分數(shù)相當。由等值面圖可以看出，在運行初期，兩者在數(shù)值上存在較大差異，干冰流量為7.85 mL/s、冷卻時間為10 s時，工質(zhì)未充滿散熱器，只有中間及以上空間有工質(zhì)存在，25 mm高度處固相分數(shù)為0.04，圖3（c）為此時表面溫度分布狀況，鋁基板表面顯然還未被冷卻。干冰入口位于散熱器中心，當干冰射流進入散熱器，干冰遇到針柱發(fā)生回流，二氧化碳分數(shù)由中心向兩邊遞減，在中心形成大渦旋，增強擾動，改善流場分布。10 s時只有正對入口的中心溫度略有降低，此區(qū)域的局部傳熱強度最高，全部干冰基本上都升華成二氧化碳。

當干冰流量為23.55 mL/s、冷卻時間為10 s時，同樣位置的干冰固相分數(shù)約為0.34，流量增大3倍，固相分數(shù)從0.04增加至0.34，增幅為750%。圖4（c）為10 s鋁基板表面溫度分布情況，由該圖可以看出，中心半徑約為20 mm的圓面積已被冷卻，流量增加，固相體積分數(shù)也隨之增加。這是因為流量增加，有更多的干冰噴入散熱器，大量干冰無法瞬間升華為二氧化碳，散熱器升華能力基本飽和，固相分數(shù)大于氣相分數(shù)，結(jié)合中心渦旋的強烈擾動，能有效提高傳熱效果，冷卻潛能更大，降溫效果更佳。圖3（d）、圖4（d）為運行500 s達到平衡時表面溫度分布情況，可以看出，干冰流量為23.55 mL/s時表面溫度更低，溫度分布更均勻，但隨著干冰噴入量的增大，干冰消耗量增大，初投資增加，造成資源浪費?？蛇x擇干冰流量為7.85 mL/s，穩(wěn)定后最高溫度為56.4 ℃，其熱學性能完全滿足LED燈的散熱要求，保證其在正常運行范圍內(nèi)。

2.3 干冰流速對LED結(jié)溫影響

本研究以標稱功率為300 W的LED燈鋁基板（平面Z＝-5 mm）溫度分布為研究對象。隨著干冰流速的增加，LED鋁基板最高溫度分別為56.5 ℃、48.9 ℃、45.1 ℃、43.0 ℃、41.5 ℃。不同流速下溫度降低幅度如圖5所示，由圖5可以看出，隨著干冰流速的提高，系統(tǒng)達到穩(wěn)定后出口干冰固相分數(shù)不再發(fā)生變化時，鋁基板最高溫度、最低溫度及面平均溫度均呈現(xiàn)下降趨勢。而流速進一步增加，溫度降低幅度趨緩，這是因為流速的提高會增大傳熱系數(shù)，增加傳熱效果，降低表面溫度。此外，流速的進一步提高，散熱器內(nèi)部已完全發(fā)展為湍流狀態(tài)，更多的干冰轉(zhuǎn)換為二氧化碳，導致散熱器內(nèi)部壓力升高，阻礙干冰回流及擾流，同時較多體積的干冰對氣體的脫離和運動有阻礙作用，流速的增加對提高綜合傳熱系數(shù)的影響減弱，溫度變化趨于穩(wěn)定。流速為0.1 m/s時已完全滿足性能要求，可保證充分利用干冰，避免資源浪費。對冷卻表面溫度要求更高的器件，可根據(jù)實際情況適當加大流速。

2.4 不同功率干冰噴射對LED結(jié)溫影響

為研究不同輸入功率時LED燈P-N結(jié)區(qū)域溫度場的變化趨勢，在模型中研究干冰噴射流量為7.85 mL/s時PCB鋁基板區(qū)域（平面Z＝-5 mm）的溫度分布，如圖6所示。

由圖6可知，隨著LED模塊的總輸入功率增加，在噴入干冰30 s前，平面Z＝-5 mm的表面平均溫度有較明顯上升，這是由于LED燈已經(jīng)開始工作，而干冰射流還未徹底到達冷卻表面。40 s后表面溫度開始逐漸下降，大量的干冰進入散熱器發(fā)生相變，沖擊射流與升華相變相結(jié)合，加之針柱交錯設計能有效延緩熱邊界層的形成，改善流場分布，強化換熱，有效降低LED結(jié)溫。到200 s后，溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，之后基本不變。

標稱功率為200 W時，穩(wěn)定后表面溫度可低至10.04 ℃，冷卻效果極佳；功率為300 W時，穩(wěn)定后表面溫度為53.13 ℃；功率為320 W時，穩(wěn)定后表面溫度為61.81 ℃，遠低于LED正常運行溫度。本研究所設計的散熱器結(jié)構(gòu)能很好地滿足功率低于320 W的LED燈冷卻要求，但冷卻過程中出現(xiàn)接近120 ℃的高溫，即將到達LED燈損壞溫度。因此，對更高功率的LED陣列，可通過增大散熱器的尺度來滿足要求。

2.5 網(wǎng)格獨立性驗證

通過改變網(wǎng)格大小計算數(shù)值模擬結(jié)果進行網(wǎng)格獨立性驗證，即預定義設置為粗化、常規(guī)、細化、較細化，這些物理控制網(wǎng)格數(shù)量分別為503 142、853 814、1 144 091和3 003 888。對不同數(shù)量的網(wǎng)格進行計算，基板的穩(wěn)定溫度分別為54.8 ℃、56.19 ℃、56.4 ℃、56.67 ℃。試驗結(jié)果表明，當網(wǎng)格數(shù)目大于853 814時，結(jié)果獨立，散熱器內(nèi)換熱達到相對穩(wěn)定后，LED最高結(jié)溫變化范圍為-0.5～0.5 ℃。綜合考慮計算精準性和計算成本，計算網(wǎng)格數(shù)目為1 144 091。

2.6 對比分析

干冰噴射散熱與自然對流及水微噴射陣列冷卻方式對比如圖7所示。對基于自然對流的被動冷卻方式的系統(tǒng)，LED燈的溫度先有一個較為緩慢的升高，最后穩(wěn)定在96.1 ℃［22］，應用水微噴射陣列冷卻系統(tǒng)，LED燈溫度先緩慢升高，然后在69.4 ℃［23-24］穩(wěn)定工作，應用干冰噴射散熱器，在30 s前，LED表面溫度有一個比較顯著上升。對標稱功率為300 W的LED燈，溫度最高上升到103 ℃左右，但仍處于LED燈安全運行范圍內(nèi)，之后溫度開始顯著降低，經(jīng)過95 s左右，表面溫度穩(wěn)定并維持在53.13 ℃，且表面最大溫差為6.7 ℃，均勻性良好。相較于自然對流方式和水微噴射陣列冷卻方式，干冰噴射法LED穩(wěn)定工作結(jié)溫分別降低44.71％、23.44％，比單相射流方式降低24.1％。標稱功率為200 W時，穩(wěn)定后表面溫度不到20 ℃，可使LED燈長期穩(wěn)定安全運行，在一定程度上體現(xiàn)干冰噴射冷卻LED燈的可行性及在一些領域的發(fā)展前景。

3 結(jié)論

針對大功率LED燈散熱問題，本研究提出干冰噴射散熱器模型，對其應用于300 W大功率LED燈的散熱特性進行研究，并與現(xiàn)有散熱方式比較。得出以下結(jié)論。

①干冰噴入流速為0.1 m/s時，運行40 s后溫度出現(xiàn)顯著降低，趨于穩(wěn)定后，表面溫度保持在56.4 ℃左右，遠低于LED損壞溫度，最大溫差為6.7 ℃，表面溫度均勻，干冰散熱器能有效降低LED燈溫度，200 s后是較佳工作狀態(tài)。

②干冰流量由7.85 mL/s增至23.55 mL/s，散熱器相同位置的干冰固相分數(shù)由0.04增至0.34，流量增加能明顯改善傳熱效果。隨著干冰噴入量增大，干冰消耗量增大，初投資增加。綜合考慮，選擇最佳干冰流量為7.85 mL/s。

③干冰流速分別為0.10 m/s、0.15 m/s、0.20 m/s、0.25 m/s、0.30 m/s時，鋁基板表面溫度平衡后的最高溫度依次為56.4 ℃、48.9 ℃、45.1 ℃、43.0 ℃、41.5 ℃，溫度降幅為13.29%、7.77%、4.65%、3.49%。隨著流速增大，溫度會逐漸降低，但當流速進一步增大時，流速對傳熱效果的改善程度逐漸減小。

④功率為300 W的LED燈的基板表面，對干冰噴射散熱與自然對流方式、水微噴射陣列冷卻方式進行比較，穩(wěn)定運行溫度分別降低44.71％和23.44％，與單相射流方式比較，溫度降低24.1％。

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收稿日期：2022-11-02

基金項目：天津市研究生科研創(chuàng)新項目“大功率電子器件干冰噴射冷卻特性的研究”（2021YJSS295）。

作者簡介：寧靜紅（1964—），女，博士，教授，研究方向：自然工質(zhì)制冷系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化。