LED散热器散热特性分析及结构优化

１ 引言
随着大功率发光二极管 （ ＬＥＤ） 越来越广泛的 应用， 其相比于传统照明光源的优势已经受到广泛 认可。 但在 ＬＥＤ 的发光过程中， 是靠 ＰＮ 结中的电 子发生跃迁产生光能， 在其发光光谱中不含红外部 分， 故其产生的热量不能靠辐射散发。 目前， ＬＥＤ 只有 ２０％左右的电能转化为光能［１，２］ ， 其余的能量 都转化为了热能。 而 ＬＥＤ 的工作寿命和其芯片温度 关系密切。 因此如何快速高效的带走芯片发出的热
散热器的整个散热过程是其本身的导热和肋片 与空气间对流换热的耦合过程， 由于 ＬＥＤ 家用灯具
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照明工程学报
２０１４ 年 ２ 月
表 ２ 散热器模拟结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｒａｄｉａｔｏｒ
项目
５Ｗ ７Ｗ １０Ｗ
传热系数 ｈ〔 ｗ ／（ ｍ２ ×ｋ） 〕 ４畅１２ ４畅１６ ４畅１７
ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ）， 即在固体边界上流体的速度等
于固体表面的速度。
３ 散热器散热特性计算结果及 分析
图 ２ 为图 １ 所示的灯具在功率为 ５Ｗ 时， 计算 得到的散热器表面的温度分布。 为方便分析， 表 ２ 列出了不同功率下， 原型散热器的基板温度、 传热 系数和热阻。
图 ２ 原型散热功率 ５Ｗ 时温度分布 Ｆｉｇ畅２ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ５Ｗ
从图 ６ 中可以看到， 优化后方案一的基板温度 最低。 图 ７ 为三种散热器表 面传热系数随功率变 化图。
从图 ７ 中可以看出， 对于同一种形式的散热 器， 表面传热系数基本不随功率的变化而变。 这 是因为， 随着功率的提高， 对流换热量 Ｑ 提高的 同时， 散热器表面平均温度 Ｔ 也提高， 从而使得 其与周围冷却介质的温差 ΔＴ 提高。 所以根据 ｈ ＝ Ｑ ／ＡΔＴ， 两者共同作用， 使得 表 面 传 热 系 数 无 明
基板温度（ ｋ） ３２５畅７ ３３０畅４ ３３４畅６
的功率一般在 ５Ｗ ～１５Ｗ 左右， 所以肋片表面温度一 般不会超过 １００℃， 故辐射传热可以忽略［９］ 。 而就对 流和固体导热而言， 对流换热热阻更大， 对温度的影 响更显著， 而对流换热阻与表面传热系数成反比 ， 所 以， 可以通过分析表面传热系数， 来分析基板的最高 温度［１０］ ， 衡量散热器的效率。 从计算结果可以看出， 现有散热器的散热能力不强， 在 １０Ｗ 的功率下基板 温度已达到了 ３３４Ｋ， 这主要是由于单个肋片的长度 较长， 空气进入肋片后， 形成的热边界层阻碍了热量 传递。 为了在不增加产品的生产成本， 不额外增加物 理化学手段的前提下， 强化散热器的散热能力， 对散 热器的结构进行优化。 为了减小热边界层的厚度， 在 原有的肋片形式上， 采用开缝的方法， 使连续的肋片 变成断开型的， 从而达到减薄边界层的目的。
基金项目： 江苏省 ２０１３ 年度普通高校研究生科研创新计划项目 （ＣＸＬＸ１３＿７１４）
第 ２５ 卷第 １ 期
梁融等： ＬＥＤ 散热器散热特性分析及结构优化
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２ 散热器模型几何尺寸及计算 模型
２畅１ 散热器模型几何尺寸 现有是家用 ＬＥＤ 灯具散热器的结构如图 １ 所
示， 具体参数列于表 １。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｓ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ， ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ， Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ （ＬＥＤ） ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ．Ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｃｈｉｐ ｈｅａｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｐｏｗｅｒ ， ｓｏ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒｓ ．Ｔｈｅ ｓｕｂ－ ｓｅｃｔｉｏｎｅｄ ｐｌａｉｎ ｐｌａｔｅ ｆｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔｔｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｒｅｌｙ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｐｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ．Ｔｈｅ ｓｕｂ－ｓｅｃｔｉｏｎｅｄ ｐｌａｉｎ ｐｌａｔｅ ｆｉｎ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ， ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ｈａｓ ａｎ ｏｐｔｉｍｕｍ ｎｕｍｂｅｒ ｆｏｒ ｓｌｏｔｔｉｎｇ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＬＥＤ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ； ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＥＤ Ｒａｄｉａｔｏｒ
Ｌｉａｎｇ Ｒｏｎｇ， Ｎｉｅ Ｙｕｈｏｎｇ， Ｎｉｅ Ｄｅｙｕｎ， Ｙａｏ Ｓｈｏｕｇｕａｎｇ
（Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３， Ｃｈｉｎａ）
第 ２５ 卷第 １ 期
梁融等： ＬＥＤ 散热器散热特性分析及结构优化
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５ 结论
图 ６ 三种散热器基板最高温度随功率变化图 Ｆｉｇ畅６ Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ
图 ７ 三种散热器表面传热系数随功率变化图 Ｆｉｇ畅７ Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ
４ 结构优化后散热特性分析及 计算
针对优化后的散热器结构， 分别在功率分别为 ５Ｗ， ７Ｗ， １０Ｗ 的情况下， 进行了数值模拟研 究， 温度的计算结果如图 ４ 和图 ５ 所示。
图 ４ 方案一功率为 ５Ｗ 时温度分布 Ｆｉｇ畅４ Ｓｃｈｅｍｅ １： ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
肋长
肋厚 平均肋高 肋间距
散热器
（ Ｌ ／ｍｍ） （ ｂ ／ｍｍ） （ Ｈ ／ｍｍ） （ ｓ ／ｍｍ）
方案一 ２４
１
３
１畅８
方案二 ２１
１
３
１畅８
流道数 开缝数
３６
２
３６
３
图 ５ 方案二功率为 ５Ｗ 时温度分布
Ｆｉｇ畅５ Ｓｃｈｅｍｅ ２： ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
从图 ２、 图 ４ 和图 ５ 的对比中可以看出， 在 ５Ｗ 的情况下， 不同的散热器结构对基板最高温度有较 大的影响。 为便于分析， 图 ６ 给出了三种结构形式 基板最高温度随功率的变化图。
（４）
能量方程：
抄（ ρｕＴ） 抄ｘ
＋抄（抄ρｖｙＴ）
＋抄（ ρ抄ｗｚ Ｔ）
＝Ｃｋｐ
（
抄２ Ｔ 抄ｘ２
＋抄抄２ｙＴ２
＋抄抄２ｚＴ２ ）
（５）
边界条件取为： 大空间为压力进口， 散热器基
板底面根据不同功率给定热流边界， 而肋片与空气
接触的计算面， 为自然对流换热耦合计算面， 在固
体边 界 上 对 速 度 取 无 滑 移 边 界 条 件 （ ｎｏ－ｓｌｉｐ
肋长 （ Ｌ ／ｍｍ）
３０
图 １ 现有 ＬＥＤ 散热器结构 Ｆｉｇ畅１ ＬＥＤ ｒａｄｉａｔｏｒ
表 １ 散热器尺寸
Ｔａｂｌｅ １ Ｒａｄｉａｔｏｒ ｓｉｚｅ
肋厚
平均肋高
肋间距
（ ｂ ／ｍｍ）
（ Ｈ ／ｍｍ）
（ ｓ ／ｍｍ）
１
３
１畅８
流道数 ３６
２畅２ 计算模型及边界条件 计算域由散热器本身和其周围的空气域组成，
＋抄抄２ｚｕ２ ）
（２）
抄（ ρｕｖ） 抄ｘ
＋抄（抄ρｙｖ２ ）
＋抄（
ρｗｖ） 抄ｚ
＝－抄抄ｐｙ
＋μ（
抄２ ｖ 抄ｘ２
＋抄抄ｙ２ ｖ２
＋抄抄２ｚ２ｖ）
（３）
抄（ρｕｗ） 抄ｘ
＋抄（ρ抄ｖｙｗ）
＋抄（
ρｗ２ 抄ｚ
）
＝－抄抄ｐｚ ＋μ（抄抄２ｘｗ２ ＋抄抄２ｙｗ２ ＋抄抄２ｚｗ２ ） ＋ｇ（ρ －ρａ ）
摘 要： 发光二极管 （ＬＥＤ） 以其耗电量少、 发光效率高、 节能、 环保等特点， 在现代照明中已经越来越占据主导 地位。 ＬＥＤ 芯片产生的热量随着功率增加而增加， 使得基底温度升高， 所以散热问题成为 ＬＥＤ 设计时需要考虑的 重要因素之一。 本文在对现有的 ＬＥＤ 肋片散热器结构进行数值分析的基础上， 提出了断开开缝式肋片的结构， 并 对其进行了研究分析。 结果表明， 在自然对流的情况下， 表面传热系数和总热阻受功率影响很小， 断开式结构可 以提高表面传热系数， 但存在最佳开缝数。 关键词： ＬＥＤ； 数值分析； 结构优化 中图分类号： ＴＭ９２３ 文献标识码： Ａ ＤＯＩ： １０畅３９６９桙ｊ畅ｉｓｓｎ畅１００４－４４０Ｘ畅２０１４畅０１畅０１８
根据以上的分析， 对现有 ＬＥＤ 散热器结构进行优 化设计， 方案结构图如图 ３ 所示， 具体尺寸列于表 ３。
图 ３ 优化后的设计方案结构图 Ｆｉｇ畅３ Ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
表 ３ 优化后的散热器尺寸
Ｔａｂｌｅ ３ Ｒａｄｉａｔｏｒ ｓｉｚｅ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
量， 是 ＬＥＤ 灯具设计的关键技术之一［３］ 。 现阶段国 内外诸多学者对 ＬＥＤ 的散热结构进行了数值模拟和 实验研究［４］ ， 刘雁潮和刘静等人分别利用 Ｉｃｅｐａｋ 软 件对大功率 ＬＥＤ 路灯进行建模仿真， 研究了肋间 距， 肋厚度， 换热面积等结构的优化。
本文以强化 ＬＥＤ 散热器的散热效率为目标， 对 家用 ＬＥＤ 灯具散热器的自然对流冷却过程进行了研 究。 采用 ＣＦＤ 软件对散热器在自然对流的大空间内 的换热过程进行了耦合数值传热计算。 根据计算结 果， 提出了 ＬＥＤ 散热器的结构优化方案。
显变化。 而方案一的表面传热系数与现有换热器相 比， 提高了 ３０％。
从图 ６、 图 ７ 中还可以看到， 对于不同散热器 的结构 形 式， 基 板 温度 都 随 着 功 率 增 加 而 增 加， 而表面传热系数基本不变， 这是符合实际情况的。 优化后的方案一在各功率下散热情况都是最优的， 其表面传热系数与现有的散热器相比提高了 ３０％， 使得传热热阻变小， 从而基板温度最低， 这在散 热器的实际收益中是显而易见的。 所以对于本文 研究的散热器进行开缝形式的模型优化是可取的。 但优化后的方案二的传热系数增加很小， 但热阻 却变大， 基板最高温度也比现有的散热器高。 这 是因为， 开缝导致有效的散热面积减小， （ ｈ１ Ａ１ ） ＞ （ ｈ３ Ａ３ ） ， 导致 Ｒ３ ＞Ｒ１ 。 所以在追求 ｈ 变大的同 时， 也要考虑 Ａ 的减小带来的影响， 故存在最佳 开缝面积， 从而使得 （ ｈＡ） 最大， 达到最佳的改 进方案。
分别定义散热器为固体域， 周围空气为流体域。 为
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了保证散热器在自然对流的模拟中的准确性， 空气
流动计算域必须取的足够大［５］ ， 这样大空间的边界
条件就能取为压力入口边界条件。 数值模拟时可以
近似把问题看成三维， 稳态， 常物性， 有内热源的 导热和对流热耦合问题［６，７］ 。 由于是模拟自然对流，
（１） 自然对流条件下， 散热器表面传热系数与 其结构有关， 且不随功率增减而变化。
考虑温差而引起的浮升力作用， 所以在计算中引入
了 Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ 假设［８］ 。
针对物理模型， 列主要控制方程如下：
连续性方程：
抄（ ρｕ） 抄ｘ
＋抄（抄ρｙｖ）
＋抄（抄ρｚｗ）
＝０
（１）
动量方程：
抄（ρｕ２ ） 抄ｘ
＋抄（抄ρｙｕｖ）
＋抄（
ρｗｕ） 抄ｚ
＝－抄抄ｐｘ
＋μ（
抄２ ｕ 抄ｘ２
＋抄抄２ｙｕ２
２０１４ 年 ２ 月 第 ２５ 卷 第 １ 期
照明工程学报 ＺＨＡＯＭＩＮＧ ＧＯＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡＯ
Ｆｅｂ． ２０１４ Ｖｏｌ畅２５ Ｎｏ畅１
ＬＥＤ 散热 器散 热特 性分 析及 结构 优化
梁 融， 聂宇宏， 聂德云， 姚寿广
（江苏科技大学 能源与动力工程学院， 江苏 镇江 ２１２００３）