非定常状态下大功率LED灯散热翅片的微观流 动机制研究

　　彭东学u3刘红军u3徐蕾u3许攀u3 1深圳风环境技术工程实验室，广东深圳，5180552深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室，广东深圳，518055 3深圳研究生院哈尔滨工业大学，广东深圳，518055通过对多种因素下不同水平下LED的散热性能进行分析，研究结果表明：随着翅片厚度、底板厚度、翅片间距的增大，能适当的改善LED灯散热性能，但是翅片高度的增加超过一定程度反而会降低LED的散热效果。

　　伴随着白炽灯逐渐退出历史舞台，LED凭借低功耗、长寿命、无污染、抗冲击、发光效率高等性能逐步取代白炽灯。LED本身为热敏元件，如果芯片产生的热量未能及时散出，将导致PN结温度升高，进而引起发光强度降低、光谱红移、寿命大幅缩短以及封装材料性能劣化等问题。因此，散热问题已成为LED大规模应用亟需解决的关键问题之。为此国内外学者对散热器构造已经进行了大量研究，研究结果表明平行翅片的散热性能与基板厚度、面积还有翅片厚度、高度和间距等都有很大关系。

　　李红月等应用中心组合设计及响应面分析法对平板型散热器进行了优化；选取翅片高度、翅片间距和翅片厚度为3个响应因子，散热器的温度为响应值得到了三因子与散热器温度的回归方程以及三因子之间相互作用的三维响应面图。结果表明：三因子的佳取值为翅片高度23.92mm，翅片间距5.99mm，翅片厚度1.03mm.高红星等对大功率LED灯单因素散热性能进行了研究，并分别绘制出翅片长度、翅片高度、翅片厚度、翅片个数、环境温度、表面辐射率与芯片结温的曲线。试验结果得出：在自然空气冷却的情况下，影响大功率LED灯散热性能的主要因素是翅片长度，其次是翅片高度，影响小的是翅片数目。王乐等对LED照明系统常用的平行翅片型散热器进行翅片开缝改进，并采用计算流体动力学（CFD）方法模拟改进前、后LED阵列散热器在自然对流条件下的散热性能。计算结果表明，翅片开缝有利于形成自下而上的自然对流，从而达到消除局部环流和改善散热器自然对流换热性能的目的。

　　本文根据LED自然对流的特点，基于计算流体动力学（ComputationalFluidDynamicsCFD）方法构建起包括LED芯片、基板、散热器和外部流体空间的全场三维数学模型，分别采用带浮力修正的k-s模型和P-1模型计算对流散热和热辐射。通过该数学模型对LED阵列的自然对流散热过程进行数值模拟，分析翅片厚度、翅片间距、翅片高度、散热器底板厚度以及开缝条数等不同因素对LED的散热性能的影响。

　　1建立模型在LED翅片的定常散热模型中不考虑外部流场随时间的变化情况，整个散热过程被视为一个稳定的状态，但是在实际的散热过程中，变化的外部环境以及流场中存在的湍流都会影响翅片的外部流场，因此采用定常散热模型分析翅片的散热过程存在一些误差，而采用非定常耦合散热模型能够更加接近翅片真实的散热过程。

　　在非定常耦合散热模型中，除了要考虑散热翅片与外部流场的温度耦合作用外，还需要考虑外部流场随时间变化的特性，因此需要在外部流场的流体控制方程中增加时间变量，非定常外部流场的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程都可以表示成通用形式，即+V（pD）=V（Tgrady+S 2工况设计研究非定常对流换热下LED的散热性能影响因素，主要从以下几个方面进行考虑：翅片厚度、翅片间距、翅片高度、散热器底板厚度以及开缝条数进行。为了研究不同因素的影响效果，需要对多种因素下不同水平下LED的散热性能进行分析。

　　根据正交试验设计法得到的数据处理通常有两种方法，一是直观分析法，又叫极差分析法，它是通过极差分析和趋势图来进行综合比较得出试验结论；另一种方法是方差分析。极差分析是通过考察各个因素中优水平和差水平的极差来衡量该因素对目标的影响程度。

　　3影响因素分析3.1翅片厚度的影响为LED高温度随着翅片厚度变化的关系图，LED高温度随着翅片厚度的增加而减小，即翅片越厚，散热性能越理想。翅片的厚度越大，越有利于散热器底部的热量通过传导方式传递到翅片，同时翅片的厚度增加，芯片周围的翅片散热表面面积增大，有利于和彭东学/1992年生/男/江西南昌人/硕士/研究方向为建筑与土木工程工业技术与实践丨学术平台I外部流场进行的对流散热和辐射换热。但是当翅片厚度加大时，即浪费了材料，又加重了质量。

　　ft片厚度热H在板度（mn不同厚度下的高温度不同底板厚度下的高温度3.2散热器底板厚度的影响为LED高温度随着散热器底板厚度变化的关系图，LED高温度随着散热器底板厚度的增大而降低，这是由于LED散热器底板的主要作用是将LED芯片散发出来的热量进行均化分配到各个翅片上，使得散热效率更高一点。芯片越厚，意味着芯片导热更加充分，各个翅片底部传来的热量也更均衡，散热效率也就更高。但从整体上看来，散热器底板厚度对芯片高温度只有2°C的差距。

　　3.3翅片间距的影响LED高温度随着翅片间距增大而下降迅速，而在翅片间距增大到15的时候，LED高温度反而有稍微增长。随着翅片间距的增加，翅片间边界层的发展影响程度减少，流体进入了发展流，换热系数增加。当翅片间距增加到佳间距时，翅片间距中流体边界层的发展正好互不影响，流体进入了边界层流。此时翅片的换热系数好。当翅片间距继续增大，超过优间距时，换热系数随间距的增加，变化就不是很大了，但是由于间距增大，导致相同面积下的散热面积减小，从而导致温度稍微升高。

　　3.4翅片高度的影响LED高温度随着翅片高度的增加先降低而后陡然增加。当翅片高度从20mm增加到30mm时，LED高温度降低幅度比较大，但从30mm增加40mm时，LED高温度减小趋势减缓。翅片高度的增加可以增加翅片的散热面积，提高翅片的散热效率，但是翅片高度的增加又会使得翅片之间散热性能较好的边界层流演变为完全发展流，导致冷空气无法进入翅片之间，带走温度较高的热空气。当翅片高度从40mm增加到50mm时，LED翅片散热面积的增加并不能很好地增加散热效率，但是却很大程度影响到了翅片之间冷空气的流动，使得散热效率降低，高温度增加。翅片高度的增加对LED的体积和重量也有较明显的影响。

　　5结语针对翅片厚度、散热器底板厚度、翅片间距和翅片高度等影响因素运用正交实验方法建立工况进行数值仿真模拟，并找到了优翅片模型，对于有效提高散热器各部位翅片的散热效率具有重大指导意义，本章研究内容总结如下：翅片厚度的增加，有利于LED芯片的热量向散热翅片进行传递，从而有助于改善LED的散热性能。

　　底板厚度的增加，使得LED芯片的热量可以更加均匀的传递到翅片根部，热量在LED芯片之间的传递受翅片分割的影响将会减小，从而可以提高LED的散热性能。

　　翅片间距的增大，使翅片间流场的湍流程度增加，并且有利于翅片间冷空气到达翅片底部，加强散热系统的对流散热效果，从而提高了LED的散热性能。

　　翅片高度的增加，翅片表面散热面积越大，翅片与空气之间对流散热更加充分，但是当翅片高度增加超过定程度后，翅片周围的冷空气很难进入到翅片底部，反而会降低LED的散热效果。