王明霞　周俊杰

摘 要： LED照明燈具由于本身體積小功率大，在工作時(shí)釋放大量熱量，影響其發(fā)光效率和使用壽命，散熱問(wèn)題一直是LED照明燈具的一個(gè)棘手問(wèn)題。因此使用專門的熱分析軟件ANSYS Icepak對(duì)大功率LED照明燈具的散熱問(wèn)題進(jìn)行探討。通過(guò)數(shù)值模擬，探討模型內(nèi)的溫度、速度和壓力分布，以及基板的溫度和壓力云圖，結(jié)果得出在初始風(fēng)扇風(fēng)速為0.005 kg/s，翅片厚度為0.018 m，翅片行間距為0.014 m時(shí)，LED關(guān)鍵元件基板的最高溫度約為81.30 ℃，并得出風(fēng)扇中心截面的溫度、壓力及速度的分布云圖，以及該截面[y]方向中心線上的溫度、壓力及速度的變化曲線，反映了多排陣列大功率LED工作時(shí)的散熱情況。

關(guān)鍵詞： LED照明燈具； 多排陣列； Icepak； 數(shù)值模擬； 熱分析

中圖分類號(hào)： TN312+.8?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）07?0138?04

Abstract： The LED lighting lamps release great heat while working due to its small size and large power， which affects on the luminous efficiency and service life， so the heat dissipation problem is a thorny issue of LED lighting lamps all the time. The heat dissipation problem of high?power LED lighting lamps is discussed with thermal analysis software ANSYS Icepak. The temperature， velocity and pressure distribution in the model， and temperature and pressure contours of the substrate are discussed by means of numerical simulation. When the original fan flow rate is 0.005 kg/s， fin thickness is 0.018 m and fin row?space is 0.014 m， the highest temperature of LED′s key element substrate is about 81.30 ℃. The temperature， pressure and velocity contours of the fans center section， as well as the temperature， pressure and velocity change curves of the center line along [y] direction are obtained， which reflect the heat dissipation situation of the multi?row array high?power LED while working.

Keywords： LED lighting lamp； multi?row array； Icepak； numerical simulation； thermal analysis

0 引 言

大功率LED以其體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞。隨著LED芯片的輸入功率不斷增大，LED的熱量累積越來(lái)越多，由于溫度升高而產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸明顯，從而影響到LED的使用壽命和可靠性。因此，對(duì)大功率LED進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，提高其散熱能力成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

文獻(xiàn) [2?5]使用有限元軟件對(duì)大功率LED進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)與仿真分析，對(duì)散熱片、銅基板、氧化鋁層等元件的材料、厚度及翅片疏密程度進(jìn)行優(yōu)化。聶宇宏等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[6]，研究了不同功率下家用LED燈翅片散熱器內(nèi)的溫度分布、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等換熱性能。文獻(xiàn)[7?9]從改進(jìn)LED結(jié)構(gòu)角度來(lái)解決散熱問(wèn)題。指出采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的封裝材料是提高散熱效率的重要途徑，并對(duì)密封材料，鍵合材料，散熱基板對(duì)散熱的影響作了詳細(xì)的分析。戴煒?lè)宓扔糜邢拊▽?duì)大功率LED從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作狀態(tài)過(guò)程中，器件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)變和應(yīng)力等進(jìn)行了研究，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[10]。

因此，本文使用Icepak軟件對(duì)多排陣列大功率LED照明燈具的散熱問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了模型內(nèi)的溫度、速度和壓力分布以及基板的溫度和壓力云圖，為L(zhǎng)ED燈具的設(shè)計(jì)提供了參考與建議。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 問(wèn)題描述

多排陣列大功率LED照明燈具包含34個(gè)LED熱源（密封在1個(gè)腔體內(nèi)），1塊基板，34個(gè)翅片，3個(gè)風(fēng)扇和1個(gè)自由開孔。翅片和基板用鋁擠壓型材，每個(gè)風(fēng)扇質(zhì)量流量為0.005 kg/s，每個(gè)熱源功率為10 W，翅片的厚度為0.018 m，[y]方向翅片的行間距為0.014 m，腔體的傳熱系數(shù)為15 W/（m2·K）。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，設(shè)備的基板溫度[6]不超過(guò)90 ℃。

1.2.3 邊界條件

（1） 環(huán)境屬性：環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，壓力是101 325 Pa；

（2） 冷卻劑屬性：冷卻劑是空氣，密度是1.225 kg/m3；

（3） 出口溫度設(shè)為環(huán)境溫度，為自由開口；流動(dòng)方向?yàn)檠胤ň€方向流出；

（4） 翅片和基板的材料均為鋁擠壓型材，密度是2 800.0 kg/m3，比熱是900 J/（kg·K），電導(dǎo)率是205.0 W/（m·K），傳導(dǎo)性是各向同性；

（5） 機(jī)柜為固體壁面；腔體的所有壁面均為光滑固定平面，傳熱系數(shù)是15 W/（m2·K）；

（6） 松弛系數(shù)的設(shè)置為壓力、動(dòng)量、溫度、粘度、質(zhì)量力，其對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為0.3，0.7，1.0，1.0，1.0。

1.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于溫度升高使元件所受的熱應(yīng)力增大，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)材料就會(huì)失效，致使元件的性能下降。所以本文以系統(tǒng)內(nèi)最高溫度作為評(píng)價(jià)翅片式散熱器可靠性的指標(biāo)：相同條件下，改變有效參數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)最高溫度較低的可靠性較高。

1.2.5 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性考核

采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格。設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為0.005 m，最小網(wǎng)格尺寸為0.000 5 m，并對(duì)熱源和翅片進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖2所示。最終得到網(wǎng)格數(shù)量為335 720個(gè)。

下面對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行考核。分別改變網(wǎng)格最大劃分尺寸為0.008 m，0.005 m，0.004 5 m，0.004 m，其他尺寸不變，得到網(wǎng)格數(shù)量分別為248 552，335 720，443 895，678 482時(shí)，相應(yīng)的基板最高溫度分別是83.75 ℃，81.30 ℃，79.87 ℃，78.65 ℃，得出基板溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化關(guān)系，如圖2（c）所示。圖2（c）顯示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多，基板溫度從83.75 ℃依次減小到81.30 ℃，79.87 ℃，78.65 ℃，溫度變化率分別為2.93%，1.76%，1.53%，考慮到計(jì)算精度和減小工作量，選擇網(wǎng)格數(shù)量為335 720時(shí)的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行仿真研究。

2 結(jié)果分析與討論

檢查氣流，得到雷諾數(shù)為6 919.76，選擇Realized two equation湍流模型進(jìn)行計(jì)算。取翅片區(qū)域的風(fēng)扇中心截面[z=]0.045 m處的溫度云圖、壓力云圖和速度云圖進(jìn)行分析，如圖3所示。并得出該截面中間風(fēng)扇的[y]方向中心線上的溫度、壓力及速度沿[y]正向位置的變化，如圖4所示。然后分析影響LED散熱的關(guān)鍵元件基板的溫度分布，以及基板緊貼熱源一側(cè)的[y]方向中心線上溫度沿[y]正向位置的變化關(guān)系，如圖5所示。

壓力、速度變化關(guān)系

圖4是中間風(fēng)扇中心線的溫度、壓力、速度隨y向位置的變化關(guān)系。圖4（a）顯示溫度沿y向呈階躍起伏式升高，這主要是因?yàn)榭諝庠诹鲃?dòng)過(guò)程中遇到翅片，阻礙氣體的流動(dòng)，影響散熱。圖4（b）顯示沿y向壓力先迅速增大，接著迅速降低后基本趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榭拷L(fēng)扇處氣流速度較大使壓力迅速增大，接著氣流遇到翅片的阻礙，壓力降低，氣流繼續(xù)沿y向流動(dòng)，翅片間的間距不變，壓力也基本不變。圖4（c）顯示中心線上速度沿y向呈階躍起伏式降低。這是因?yàn)閯倧娘L(fēng)扇流出時(shí)速度很大，遇到翅片速度降低，接著出現(xiàn)兩排翅片間噴管式的空氣通道，使氣流速度增大，然后出現(xiàn)翅片使通道又變小，速度降低。這說(shuō)明翅片的排布對(duì)氣流的影響很大。

上的溫度變化

圖5是LED關(guān)鍵元件基板的溫度分布云圖以及基板緊貼熱源一側(cè)的中心線上溫度沿[y]正向位置的變化關(guān)系。圖5（a）顯示，越遠(yuǎn)離風(fēng)扇，基板的溫度越高，即基板溫度沿[y]正向逐漸增高?；宓淖罡邷囟燃s為81.30 ℃，出現(xiàn)在空氣出口附近的熱源處?；遄罡邷囟刃∮?0 ℃，說(shuō)明此時(shí)的風(fēng)量可以冷卻這些熱源。圖5（b）顯示，沿[y]正方向，基板的溫度逐漸升高。這是因?yàn)樵竭h(yuǎn)離風(fēng)扇，氣流速度逐漸降低，單位時(shí)間的散熱量逐漸降低。

3 結(jié) 論

（1） 對(duì)多排陣列大功率LED進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了模型的溫度分布云圖、壓力分布云圖和速度分布云圖。并得出模型內(nèi)的最高溫度是81.30 ℃，最大壓力是14.60 N/m2，最大的氣體速度是2.21 m/s。

（2） 選取翅片區(qū)域即風(fēng)扇中心的截面，分析該截面的溫度分布、壓力分布和速度分布。得出越遠(yuǎn)離空氣進(jìn)口的風(fēng)扇區(qū)域，溫度逐漸增高；越靠近風(fēng)扇，空氣速度越大，壓力越大。

（3） 得出了中間風(fēng)扇的中心線上的溫度、壓力及速度沿[y]正向位置的變化。得出溫度沿[y]向呈階躍起伏式升高；沿[y]向壓力先迅速增大，接著迅速降低后基本趨于穩(wěn)定；速度沿[y]向呈階躍起伏式降低。

（4） 通過(guò)分析影響LED散熱的關(guān)鍵元件基板的溫度分布，得出越遠(yuǎn)離風(fēng)扇，基板的溫度越高，即基板溫度沿[y]正向逐漸增高。

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