圓形LED散熱器散熱特性的對比研究*

李 斌 熊 倫 郝加波

(四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院, 四川 達(dá)州 635000)

0 引 言

隨著大功率發(fā)光二極管(LED)的廣泛應(yīng)用，其相比于傳統(tǒng)照明光源的優(yōu)勢已經(jīng)受到廣泛認(rèn)可[1]．雖然LED燈源與傳統(tǒng)燈源比較具有一些優(yōu)勢，但由于發(fā)展時(shí)間短，目前還處于探索階段，在應(yīng)用中存在諸多問題．其中散熱是一直需要解決的核心問題．LED燈中，只有約30%的電能轉(zhuǎn)化成為光能，剩余約70%的能量則轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致LED內(nèi)部溫度升高，最終導(dǎo)致發(fā)光效率低，壽命縮短．目前以自然對流為主的被動(dòng)式散熱是LED燈具的首選散熱方式．其中平板翅片散熱器是最常見的被動(dòng)式散熱器,主要原因在于其擁有綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡易、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)．

國內(nèi)外諸多學(xué)者以自然對流散熱方式對LED平板翅片散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究．沈愜[2]研究的散熱器是最為常見的平行翅片被動(dòng)式散熱器，文中討論了安裝方向?qū)ι崞魃嵝阅艿挠绊懀甂im等[3]對平板翅片散熱器進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，提出了關(guān)于預(yù)測散熱器各參數(shù)的最優(yōu)化方程．除了上述的方形平板翅片散熱器外，圓形結(jié)構(gòu)散熱器也是近兩年研究的熱點(diǎn)．圓形結(jié)構(gòu)的LED散熱器分為2種,分別是翅片外置型散熱器和翅片內(nèi)置型散熱器．

根據(jù)燈具照射角度需要，翅片外置型圓形散熱器的熱源可分布于圓筒內(nèi)表面和基板下表面2種．Park等[4]研究了熱源位于圓筒內(nèi)表面型散熱器，其結(jié)構(gòu)由許多圓周排列的翅片和1個(gè)圓筒組成．Kwon等[5]研究了熱源位于基板下表面型散熱器，其結(jié)構(gòu)由圓周排列的翅片、1個(gè)圓筒以及1個(gè)基板組成．翅片內(nèi)置型散熱器的翅片圓周分布于圓筒內(nèi)部，其熱源附于圓筒外表面．Joo和Kim[6]通過數(shù)值分析、仿真分析以及實(shí)驗(yàn)方法對翅片內(nèi)置型散熱器進(jìn)行了研究，提出了關(guān)于翅片數(shù)、翅片高度、翅片厚度等參數(shù)的關(guān)系式來預(yù)測散熱器散熱性能．上述的研究均只考慮了單獨(dú)的類型進(jìn)行分析，未對2種圓形散熱器散熱性能進(jìn)行比較，未能體現(xiàn)其中某一散熱器的散熱優(yōu)勢．

本文對2種圓形的散熱器散熱性能進(jìn)行了對比研究．通過3D建模，然后模擬仿真，研究翅片分布對散熱器的影響以及不同輸入功率下散熱器的最高溫度的變化．基于理論研究[7-8]，文中又提出了1種革新的翅片內(nèi)置型圓筒散熱器，此散熱器具有多孔結(jié)構(gòu)，可以有效降低散熱器的自身重量．最后，根據(jù)溫度相對變化公式和質(zhì)量相對減少量公式討論了散熱器溫度的相對變化量和質(zhì)量的相對減少量，也探討了局部加熱對翅片內(nèi)置型散熱器的散熱影響．

1 散熱器模型幾何尺寸及計(jì)算模型

1.1 散熱器模型幾何尺寸

3種圓形散熱器為本次研究的仿真模型,如圖1所示． 3種圓形散熱器均由平板翅片和1個(gè)圓筒組成．翅片外置型散熱器的翅片圓周排列于圓筒的外表面，De為其圓筒的外直徑,mm;tc為圓筒的厚度，mm;Lf為翅片的長度,mm.翅片內(nèi)置型散熱器的翅片則圓周排列于圓筒的內(nèi)表面，Di為其圓筒的外直徑，mm;tf為翅片的厚度，mm;H為散熱器的高度,mm.圓筒帶孔型實(shí)際為一種創(chuàng)新的翅片內(nèi)置型散熱器，其翅片同樣圓周排列于圓筒內(nèi)表面，而圓筒上帶有均勻分布在相鄰翅片間的方形通孔,Lch為通孔長度，mm;wch為通孔寬度,mm．

圖1 3種散熱器模型

散熱器的尺寸基于市場上廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品尺寸．3種散熱器的翅片尺寸保持一致：翅片高度為60 mm，長度為10 mm，厚度為2 mm．翅片外置型散熱器圓筒外直徑、高度和厚度分別為40、60和5 mm；翅片內(nèi)置型散熱器圓筒外直徑、高度和厚度分別為60、60和5 mm；圓筒帶孔型散熱器與翅片內(nèi)置型散熱器的尺寸一致，其擁有上下兩排圓周分布的通孔，通孔長度為20 mm，寬度為2 mm，深度為5 mm．散熱器翅片個(gè)數(shù)(N)為14，通孔分布于相鄰翅片間，其個(gè)數(shù)為28．模擬LED燈具實(shí)際熱源，翅片外置型散熱器圓筒內(nèi)表面加熱；翅片內(nèi)置型和圓筒帶孔型散熱器的圓筒外表面加熱；熱源功率的取值范圍為5～25 W. 散熱器由6061 T6型號(hào)鋁材構(gòu)成,其傳導(dǎo)率為167 W/mK,取鋁的表面發(fā)射率為0.8．同時(shí)，為了驗(yàn)證局部受熱對翅片內(nèi)置型散熱器的影響，本文在50 W大功率下，通過不同位置對翅片內(nèi)置型散熱器進(jìn)行局部加熱，探討了散熱器最高溫度的變化，圖2為局部加熱的示意圖, 其中wh為局部加熱片的寬度,mm．

圖2 散熱器局部加熱示意

1.2 計(jì)算模型及邊界條件

本次研究采用ANSYS ICEPAK基于有限體積法(FVM)進(jìn)行數(shù)值仿真．為了確保求解域的大小對仿真結(jié)果無影響,求解域的體積被設(shè)置為散熱器整體體積的5倍．空氣流動(dòng)為層流、不可壓縮并且具有穩(wěn)定的熱性能. 外部氣壓設(shè)置為一個(gè)大氣壓(1.013×105Pa)，周圍溫度設(shè)置為20.00 ℃．采用HD網(wǎng)格器進(jìn)行劃分網(wǎng)格來提高求解精度，網(wǎng)格數(shù)在25 710～207 915 進(jìn)行網(wǎng)格測試,最終選擇溫度沒有太大的變化時(shí)取最小網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行求解．為了模擬自然對流散熱，求解域的頂部及四周設(shè)置為opening，底部模擬地面而設(shè)置為wall來模擬實(shí)際的安裝環(huán)境．對散熱器進(jìn)行均勻地加熱，熱源功率取值范圍為5～25 W，取Z的反方向?yàn)橹亓Ψ较颍?熱源外部由膠木材質(zhì)覆蓋,模擬絕熱條件，計(jì)算域如圖3所示．

圖3 仿真計(jì)算模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4給出了3種散熱器在同等輸入功率下(5 W)的溫度分布結(jié)果．仿真結(jié)果顯示，圓筒表面受熱，空氣在浮力的作用下沿著翅片從下而上流動(dòng)，熱量隨著空氣從散熱器的下端移動(dòng)，最終從散熱器上端帶走．因此，散熱器的下端溫度比上端溫度稍低．當(dāng)輸入功率為5 W時(shí)，翅片外置型散熱器的最高溫度約為47.82 ℃；翅片內(nèi)置型散熱器的最高溫度約為43.03 ℃；圓筒帶孔型散熱器的最高溫度約為42.47 ℃．后面2種散熱器在前一種散熱器的基礎(chǔ)上散熱性能大大提高，這是因?yàn)槌崞瑑?nèi)置型散熱器具有“煙囪效應(yīng)”[8]．翅片被圓筒包圍，形成一個(gè)“煙囪”，空氣受煙囪效應(yīng)影響集聚到圓筒內(nèi)部，沿著翅片快速上升，加快了空氣的流動(dòng)，從而提高了換熱效率．

圖4 3種散熱器的溫度分布

圖5 3種散熱器最高溫度隨輸入功率的變化

圖5給出了3種散熱器最高溫度隨輸入功率的變化圖.如圖所示，翅片的分布明顯地影響了散熱器的散熱性能．熱源輸入功率由5 W逐漸升高到25 W,3種散熱器的最高溫度也隨之升高，溫差也逐漸增大.熱源功率為25 W時(shí),翅片外置型散熱器的最高溫度約為117.90 ℃；翅片內(nèi)置型溫度約為 95.60 ℃；圓筒帶孔型散熱器的最高溫度約為91.80 ℃．計(jì)算得知, 圓筒帶孔型散熱器在翅片外置型散熱器的基礎(chǔ)上散熱性能提升了22.00%．本文提出一個(gè)關(guān)系式來計(jì)算圓筒帶孔型散熱器的質(zhì)量相對減少百分率：

其中θ為質(zhì)量相對減少百分率，%;M1為翅片內(nèi)置型散熱器的質(zhì)量，M1=116.30 g;M2為圓筒帶孔型散熱器的質(zhì)量，由此計(jì)算可得θ的值為12.98%．

圖6 距離占散熱器高度的比例對最高溫度的影響

為了驗(yàn)證局部受熱對翅片內(nèi)置型散熱器的影響，本文使用較窄的加熱片對散熱器進(jìn)行了局部加熱(功率為50 W)，此時(shí)加熱片的寬度固定為12 mm．圖6中的參數(shù)x為加熱片底部到散熱器底部的距離，mm;x/H為距離占散熱器高度的比例．當(dāng)功率一定時(shí)，x/H值的變化對散熱器的最高溫度影響較大．結(jié)果表明，比值較小或者較大時(shí)散熱器的最高溫度都高，而x/H的值為0.4時(shí)，最高溫度產(chǎn)生了一個(gè)最優(yōu)值．這說明在對翅片內(nèi)置型散熱器進(jìn)行局部加熱時(shí)，其加熱位置應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行優(yōu)化處理．

3 結(jié) 論

通過對3種散熱器進(jìn)行建模和自然對流條件下的仿真研究,可得到以下結(jié)論：

(1) 翅片的內(nèi)外分布強(qiáng)烈地影響散熱器的散熱性能．翅片內(nèi)置型和圓筒帶孔型散熱器可形成“煙囪效應(yīng)”,從而加強(qiáng)散熱器的換熱效率.

(2) 同等輸入功率下，圓筒帶孔型散熱器的散熱性能最優(yōu)，其散熱性能在翅片外置型散熱器的基礎(chǔ)上最高可提升了22.00%；在提高換熱效率的同時(shí)自身的質(zhì)量相對降低了12.98%.

(3) 局部加熱的位置對翅片內(nèi)置型散熱器的熱性能有一定的影響，加熱前應(yīng)該考慮最優(yōu)的位置．