基于LED应用的平板热管散热器的数值研究

基于LED应用的平板热管散热器的数值研究

摘要：本文提出了一种应用于室外led的新型平板热管散热器。为了证明平板热管散热器在高功率led散热方面的优势，利用商业软件star-cd对其的散热情况进行了数值模拟，并与相同结构的铝制散热器以及热板-铝翅片散热器进行比较。并通过对初始模型的底板热源布置方式及外部结构进行调整，得出了一款结构优化并符合led散热要求的平板热管散热器。

abstract： this paper presents a new outdoor led-based flat heat pipe radiator. in order to prove its advantage in efficient heat dissipation， its heat dissipation capacity is simulated by star-cd commercial software， compared with the same structure of the aluminum radiator and the hot plate-finned aluminum radiator. and the layout and external structure of baseboard heat source of initial model is adjusted， and the structure is optimized and it is suitable for the led heat dissipation.

关键词：平板热管；散热；数值模拟

key words： flat heat pipe；heat transfer；numerical simulation

中图分类号：tu832.2+3 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）23-0061-02

0 引言

近几年以来，由于热管具有体积小、质量轻以及传热效率高等特点已经成为人们关注的焦点。作为一种新颖的传热原件，为热量从很小的截面高效地传递到较大表面提供了捷径。

1 数值模拟

为了证明平板热管散热器在散热方面的优势，根据散热器材料不同，将平板热管散热器与其余两种情况进行比较计算。此时热源在平板中心处（40mm×160mm）布置。

1.1 物理问题

散热器中底板尺寸为400mm×160mm×6mm，上加间距为5mm，高为40mm的翅片，翅片厚为0.3mm，总数为32片。摆放位置与地面成30度角。模拟计算中的传热过程主要是：散热器底板工质受热后发生相变，汽化的液体工质一部分通过金属薄片之间的微槽到达微槽上部，冷凝释放潜热；另一部分通过金属薄片表面的通孔到达底板上部，冷凝释放潜热。然后通过热管壁的导热将潜热传递给翅片，最后通过翅片与周围空气的自然对流换热将热量传递给环境。

1.2 网格划分

计算采用非均匀性网格划分，散热器及较近部分的空气的网格划分比较密集，较远处空气的网格划分比较稀疏，这两部分的网格利用star-cd中couple的命令连接，计算模型中固体网格为106120，流体的网格为704248，总网格数为657688。

1.3 边界条件

边界条件的设置为：给定散热器周围环境温度，平板底部中心处

热流密度固定。

1.4 数值模拟结果及分析

材料散热器底部平板的底板温度趋势相同，都是由中心向两侧逐渐降低。然而，底板与翅片全为热板的情况下最高温度为118.3℃，比相同结构的铝制散热器底板温度133.4℃低15.1℃，这充分说明热板散热器的确具有较好的散热能力。

2 散热器外部结构优化

本文中对平板热管散热器的设计要求是：散热量在150w时，底板温度低于75℃。为了满足设计要求，并尽可能的提高散热器的散热效率，以下将对散热器进行优化设计。

2.1 底板热源的布置方式

采用数值模拟方法，根据实际情况改变底板热源的布置方式。①带有翅片的热板在第二种热源交叉布置的情况下，当翅片高度不变时（40mm），随着翅片间距的变化，从5mm，8mm，10mm，12mm，到15mm，底板温度也随之变化，其中翅片间距为10mm时，底板温度最低为105.438℃，比最高值113.452℃下降了约7.6%；经计算，此种情况下换热系数相对较高为5.730w/m2·k，翅片高度为40mm，间距为10mm约为最低值2.508w/m2·k的2.28倍。②在不改变翅片间距的情况下（10mm），当翅片高度沿40mm，36mm，30mm，20mm 变化时，热板底部温度逐渐升高，由105.438℃变化到148.685℃，增加了约29%；翅片温度也增加了约29%。翅片间距为10mm，高度为40mm时，翅片间流动较好。

因此得出结论：当翅片间距为10mm，翅片的高度为40mm时的换热和空气流动最好。

2.2 底部平板面积调整

通过计算，得到了最优的散热器结构，接下来将对平板热管的底部面积进行调整，以便于更好的满足led器件对温度（65℃-75℃）的要求。

由模拟结果可以看出，当底板尺寸为500mm×400mm×3mm时，散热器的底板温度为72℃，基本达到led器件对温度的要求。

3 结论与展望

①本文针对一种新型平板热管散热器建立了数学模型并进行了

模拟计算。计算结果表明，这种平板热管散热器与普通铝制散热器和热板-铝翅片散热器具有明显的散热优越性，由此证明了本文对此种散热器建立数值模型进行计算是有必要的。

②另外，本文针对led器件的实际应用，对这种新型平板热管散热器进行了结构优化，最终得到了一款最优结构的散热器。

③本文对于平板热管散热器的研究只考虑了平板内部的导热以

及平板与周围空气的自然对流换热，因此在接下来的工作中将考虑辐射对散热的影响，并根据发射率的不同来对其进行优化。文中模型的计算并没有达到完全满意的结果，因此将考虑对模型作进一步调整，比如将热板竖直立于铝板上，从而在其两侧加设翅片以增加散热面积。

参考文献：