LED翅片散熱器傳熱性能研究

聶宇宏，梁 融，姚壽廣，聶德云

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

大功率發(fā)光二極管(LED)作為第四代照明光源，以其綠色節(jié)能、高效環(huán)保、壽命長等優(yōu)點已被廣泛應用于生活和生產(chǎn)領域中［1-2］.發(fā)展至今，散熱問題仍是制約LED大規(guī)模應用的瓶頸，LED的發(fā)光效率僅在20%左右，約80%的能量轉(zhuǎn)化為熱量［3］.因此，如何快速高效的帶走芯片發(fā)出的熱量，是LED燈具設計的關鍵技術之一［4］.對于大部分應用于日常生活的LED光源，主要的散熱形式是利用翅片在自然對流條件下散熱.近幾年來，國內(nèi)外學者也對翅片散熱情況進行了大量研究，文獻［5］中對平行翅片對流傳熱進行了大量數(shù)值模擬，并提出最佳化形狀因子的概念.文獻［6］中對沿翅片長度方向穿孔進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方式具備優(yōu)良性能.但在自然對流情況下，對于特定形狀的翅片散熱研究尚不充分，所以文中對家用LED燈具翅片散熱器的散熱特性進行了實驗和數(shù)值模擬，分析了其傳熱特性，用測溫儀測量了不同功率下散熱器基板的溫度，得出其溫度隨加熱時間的變化趨勢，并進行了理論分析.

1 實驗系統(tǒng)及結(jié)果

為了研究LED翅片散熱器自然對流下的傳熱性能，對圖1所示LED燈具裝置進行溫度測量，將燈具放置在溫度恒定且無空氣流動的房間內(nèi)，實驗時室內(nèi)溫度為27℃.LED燈的功率分別為3，5，7 W，不同功率燈具的結(jié)構(gòu)基本相同，LED燈具翅片散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸列于表1.溫度測量采用紅外測溫儀，如圖2(型號為特安斯TASI-8606)所示，測試量程-32～380℃，重復性為±1.5℃，分辨率為0.1℃.

圖1 LED燈具裝置Fig.1 LED lamp structure

圖2 測量儀器Fig.2 Measuring instrument

表1 散熱器尺寸Table 1 Dimensional parameters of radiator

實驗主要測量不同功率下基板表面的溫度隨時間的變化，測量位置如圖3所示，A，B，C為基板上的3個小區(qū)域.

圖3 測量點Fig.3 Measuring points

測量時，為減小誤差，每次對A，B，C 3個測試點進行溫度測試，再對3個點的測試數(shù)據(jù)取平均值作為此次測試的基板溫度.每個測試對象，在60 min內(nèi)，進行30次溫度測量并記錄30個溫度-時間數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)分別做出不同功率下LED散熱器基板溫度T隨時間t的變化曲線(圖4).

由圖4可以看出，通電后，隨著加熱的進行，基板溫度T迅速上升，在20 min左右溫度達到最大值，隨后溫度減小，在25 min以后溫度基本穩(wěn)定，達到穩(wěn)態(tài).這與文獻［7］的實驗結(jié)果基本一致，都說明LED燈從開啟到達到穩(wěn)態(tài)的過程中，會出現(xiàn)一個溫度的極大值，這一點的出現(xiàn)通常在開啟后的20～22 min.不同功率燈具極大值點的位置，以及達到穩(wěn)態(tài)的時間基本相同，只是最大溫度值和達到穩(wěn)定后的溫度值不同.當LED燈功率為3，5，7 W時，最大溫度值分別為325，327，329.2 K，達到穩(wěn)態(tài)時的溫度分別為323，326，328 K.

圖4 基板溫度隨時間變化曲線Fig.4 Bottom surface of substrate temperature variation with time

翅片散熱器的散熱過程是由散熱器本身的導熱和翅片與周圍空氣的自然對流傳熱這兩個不同的傳熱環(huán)節(jié)組成的.在自然對流過程中，一般采用格拉曉夫數(shù)Gr作為判斷流動形態(tài)轉(zhuǎn)變的依據(jù)，但由于翅片的存在，空氣在翅片間的流動，屬于通道內(nèi)模型，所以要用雷諾數(shù)Re的大小來判斷空氣的流態(tài)［8］.隨著溫度上升，自然對流增強，空氣流速加快，在20 min時溫度達到最大值，此時針對實驗裝置的尺寸、物性和流速計算得到的Re為1300～1350，而一般內(nèi)部流動Re＞2000，即開始從層流向湍流過渡，考慮散熱器翅片尺寸和翅片間距相對較小，不可用一般通道內(nèi)的標準來衡量，故根據(jù)本文的實驗結(jié)果，在豎直放置的翅片散熱器中，Re達到1300，流態(tài)就開始向湍流過渡.由于湍流的出現(xiàn)強化了傳熱，使得溫度在達到最大值后出現(xiàn)降低.

2 數(shù)值模擬

由以上實驗可以得出LED翅片散熱器基板溫度隨時間的變化，但無法得到翅片散熱器的其他傳熱性能.為了全面地分析LED散熱器的傳熱特性，對圖1所示的LED燈具的傳熱過程進行數(shù)值模擬，考慮到一般家用LED燈工作時間較長，大多處于穩(wěn)態(tài)，所以利用CFD數(shù)值計算軟件對其進行穩(wěn)態(tài)熱分析.

2.1 計算模型及邊界條件

計算域由散熱器本身和其周圍的空氣域組成，分別定義散熱器為固體域，周圍空氣為流體域.為了使模擬條件與實驗時放置燈具的無流動房間一致，空氣計算域必須取的足夠大，大空間的邊界條件取為壓力入口邊界條件.考慮溫差而引起的浮升力作用，所以在計算中引入了Boussinesq假設.

針對物理模型，主要控制方程如下:連續(xù)性方程:

動量方程:

能量方程:

式中:u為x軸速度分量;v為y軸速度分量;w為z軸速度分量;ρa為室環(huán)境空氣密度;k為導熱率數(shù);Cp為定壓比熱容.

邊界條件取為:大空間為壓力進口，散熱器基板底面根據(jù)不同功率給定熱流邊界，而肋片與空氣接觸的計算面，為自然對流換熱耦合計算面，在固體邊界上對速度取無滑移邊界條件(no-slip boundary condition)，即在固體邊界上流體的速度等于固體表面的速度.

2.2 計算結(jié)果及分析

當LED燈功率為7W時，翅片散熱器內(nèi)的溫度分布如圖5.

從圖5中可以看出，由基板發(fā)熱面產(chǎn)生的熱量沿著散熱器基座及翅片伸展方向傳遞，由于基座呈圓柱形，以及翅片的均勻分布，可以看出整體的溫度分布比較一致，熱量在翅片散熱器內(nèi)的熱傳導過程，并不是沿單一的方向傳遞，在整個溫度場中，肋片底端的溫度是最低的.表2為基板實測溫度和數(shù)值模擬溫度的比較.

圖5 散熱器內(nèi)溫度分布Fig.5 Radiator temperature distribution

表2 基板實測和模擬溫度結(jié)果Table 2 Experimertal and simulation results of substrate temperature

從表中可以看到，實驗測量值普遍比模擬計算值高2～3 K，以功率為7 W的樣品為例，實測基板最高溫度穩(wěn)定在328K，與數(shù)值模擬的325K相差3 K，相對誤差為0.91%.相對誤差較小，在允許范圍內(nèi)，所以模擬結(jié)果是較為準確的，證實了模擬的可靠性.根據(jù)CFD軟件導出單個翅片內(nèi)表面的熱流密度，再由此根據(jù)公式:

式中:q為熱流密度，W/m2;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K);Δt為溫差.

計算出不同功率下LED散熱器單個翅片平均的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 單個翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Fig.6 Tinsurface heat transfer coefficient

圖6中，L為翅片長度，隨著功率的增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)略有增加，但影響不大，總體的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在4.60～4.62 W/m2·K-1.這與文獻［8］給出簡化公式的計算結(jié)果一致，如果用大空間豎壁自然對流的實驗關聯(lián)式計算［9-10］，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為9.1 W/m2·K-1，與數(shù)值計算結(jié)果相差較大，說明對于豎直放置的翅片散熱器，不能用大空間豎壁自然對流的理論進行分析，而應該用通道內(nèi)的流動進行分析，這與前面的實驗研究及分析也是一致的.

3 結(jié)論

1)LED燈開啟后，隨著散熱器溫度上升，翅片與環(huán)境間的自然對流增強，使得翅片間空氣速度增加，溫度升高到一定值時，空氣流態(tài)從層流向湍流過渡，由于流態(tài)的變化，引起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增大，使得散熱器的溫度在達到穩(wěn)態(tài)前有一極值.

2)對于同一種結(jié)構(gòu)的翅片散熱器，隨著熱負荷的增加，加強了空氣流動，傳熱系數(shù)有增大的趨勢，但差別不大;對于文中所研究的翅片散熱器，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本不隨位置的變化而變化.

3)對于豎直放置的LED翅片散熱器，大空間自然對流的實驗關聯(lián)式不適用，應選用簡化公式;流態(tài)的變化應使用Re數(shù)進行判斷.

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