基于有限元法LED散热强化研究

　　电子元件与材料基于有限元法LED散热强化研究韩娜、崔国民、刘国辉、马尚策、周剑卫2（1.上海理工大学新能源科学与工程研究所，上海200093；2.哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司，哈尔滨150060）法，应用A：-e模型模拟自然对流换热条件下LED模组散热情况。模拟结果表明，LED模组温度场分布不均，芯片结温较高；受芯片功率密度及位置布设的影响，中心翅片的散热效果差。通过改变散热器结构，设计了两种翅片组合形式，虽然换热面积有所减少，但由于中心翅片的对流换热得到强化，达到了降低结温的效果，提高了散热性能。

　　作为第四代光源，LED具有节能低碳、寿命长、显色性好、响应速度快等优点，是一种新型的绿色照明光源，LED灯具被应用于越来越多的领域中。由于光电转换效率偏低，LED在发光过程中有大量的热产生，产生的废热如果不能被及时带走，将会导致芯片结温过高，引起芯片寿命骤减，发光效率降低，严重时甚至失效。为了解决LED的散热问题，可以从不同的角度展开研究，普遍也是节约成本的方式是将散热性能优良的散热器与封装芯片相结合。散热器设计是解决功率型LED散热的关键，不少国内外学者通过改变散热器结构达到强化LED散热的效果。朱鹏等在矩形平直肋片的基础上提出具有烟囱效应的散热器结构，研究其自身结构尺寸对散热的影响。李灏等针对太阳花散热器通过正交试验从散热器圆柱半径、热沉高度、翅片厚度、翅片数量、翅片长度等方面进行优化设计，得到了散热效率优化结果。Li等对针状翅片散热器的长度参数进行优化，散热器质量降低30.王长宏等设计了一种基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51176125）；沪江基金研究基地专项资助（No.D14001）方形散热器，采用单一变量法分析其结构参数对散热性能的影响规律，并进行了结构优化。通过对近年来针对LED散热器优化设计获得的研究成果进行整理归纳，从平行翅片散热器着手进行结构优化，达到改善LED模组散热的目的。

　　大功率LED散热设计主要是对其稳态下的温度场与流场进行分析，一般可以通过理论计算、。模拟区域为开放空间，外部开放空间处理为非封闭的自由流体边界，设定一个标准大气压1.01x105Pa.环境温度为20°C，重力加壁面为光滑表面，流体在壁面上无滑移；能量方程忽略粘滞损失。

　　表1 LED模组参数Tab.名称芯片模块散热器导热系数/表2散热器结构参数Tab.2散热器结构/mm翅片长度/mm翅片厚度/mm翅片个数/个模拟自然对流条件下平行翅片LED模组的散热情况，数值模拟时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，涉及到热传导及自然对流换热，相关控制方程如下：连续性方程：平行直板式翅片LED模组温度分布、何凡，陈清华，刘娟芳，等。集成芯片LED场地照明灯新型叠片散热器热分析。发光学报，2014，李加，葛志晨，徐和辰，等。基于有限元方法的大功率LED灯具散热设计与分析。系统仿真技术，2016（1）：朱鹏。基于烟囱效应对大功率LED灯的强化散热。大连：大连理工大学，2014.李灏，钱新明，陈威。LED太阳花散热器正交试验模拟优化设计。照明工程学报，2016，27（1）：119-123.王长宏，谢泽涛，邹大枢，等。大功率LED散热器的数值模拟与优化。电子元件与材料，2015，34（6）：44-47.华楚霞，张淼，林泽坤，等。基于有限元方法的功率型LED灯热分析。电子世界，2013（14）：75-76.（编辑：陈丰）