方飛龍，黃立軍，唐美玲

（杭州萬(wàn)向職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能技術(shù)系，浙江 杭州 310023）

1 引言

近年來(lái)，隨著大功率LED逐步應(yīng)用于照明領(lǐng)域，解決散熱問(wèn)題已成為其大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。對(duì)于現(xiàn)有的LED光效水平而言，輸入電能的70%～80%轉(zhuǎn)變成為無(wú)法借助輻射釋放的熱量，而且LED芯片尺寸很小，如果散熱不良，則會(huì)使芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力分布不均、熒光粉激射效率下降。

目前，功率型白光LED的光效已超過(guò)1 10l m/W，為實(shí)現(xiàn)照明所需的光通量要求，一方面可進(jìn)一步提高芯片的輸入功率；另一方面可以將多個(gè)芯片按陣列模塊的方式封裝在一起。兩種方法均會(huì)使LED的熱流密度急劇增加，單個(gè)芯片的輸入功率越大，成本就越高；因此，多個(gè)芯片按陣列模塊的方式封裝在一起成為解決大功率應(yīng)用的主要方法。而對(duì)于多芯片封裝的LED，展向熱阻是基板抵抗熱流量（每單位時(shí)間芯片的發(fā)熱量）產(chǎn)生溫差的熱屬性和度量，它是影響整個(gè)LED散熱性能的重要因素。溫差越大，展向熱阻越大，這種大的溫度梯度將會(huì)使材料產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，進(jìn)而使光輸出質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致LED失效，因此小的展向熱阻對(duì)于LED獲得更好的熱特性和光性能來(lái)說(shuō)是必要的。當(dāng)芯片位置得到有效布設(shè)時(shí)，基板的最高溫度變低，最低溫度變高；因此溫度場(chǎng)變均勻，其展向熱阻也變小，LED的整體散熱性能就得到改善。

為了改善板翅式換熱器基板的溫度場(chǎng)分布，在不改變芯片位置（保證LED光輸出質(zhì)量）的前提下，研究不同翅片間距與翅片高度比條件下基板溫度場(chǎng)和展向熱阻、翅片溫度場(chǎng)和換熱系數(shù)的分布特征及變化規(guī)律，進(jìn)而基于此規(guī)律對(duì)翅片結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到優(yōu)化基板溫度場(chǎng)之目的。

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型

選擇文獻(xiàn)[11]中的LED路燈作為模擬原型，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，整體尺寸為600 mm×160 mm×35 mm，其中，基板的長(zhǎng)（）、寬（）、厚（）分別為600 mm、160 mm、5 mm，翅片的長(zhǎng)（）、高（）、厚（）分別為600 mm、30 mm、3 mm?；搴统崞牧蠟殇X合金，熱導(dǎo)率為201 W·m·K。

圖1 LED路燈結(jié)構(gòu)示意圖

基板底部共布設(shè)了20個(gè)LED模塊，分成四排布設(shè)：中間兩排為3 W的LED模塊，每個(gè)模塊內(nèi)部含3個(gè)1 W的芯片；另外兩排為5 W的LED模塊，每個(gè)模塊內(nèi)部含5個(gè)1 W的芯片，芯片總電功率為80 W，而由文獻(xiàn)[11]可知，有87%的電功率轉(zhuǎn)換為熱量，故總共產(chǎn)生69.6 W的熱量，如圖2所示。

圖2 芯片布設(shè)位置示意圖

2.2 計(jì)算工況

在翅片長(zhǎng)度一定的條件下，翅片間距與翅片高度的比值是影響翅片間流動(dòng)特征和翅片換熱性能的關(guān)鍵。本文總共研究了9種工況，其主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況表

2.3 數(shù)值方法及邊界條件

數(shù)值模擬區(qū)域?yàn)?.5 m3左右的開放空間，LED及散熱器位于該空間正中央。因此，計(jì)算區(qū)域包括固體區(qū)域和流體區(qū)域兩部分。對(duì)固體區(qū)域，由于不存在對(duì)流，僅求解能量方程，且能量方程中無(wú)對(duì)流項(xiàng)。模型采用六面體網(wǎng)格，對(duì)芯片、翅片間隙等細(xì)微結(jié)構(gòu)處進(jìn)行加密。計(jì)算時(shí)，為考慮換熱表面升溫對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)和換熱的影響，將所有氣固交界面處理為耦合壁面?；宸胖肔ED芯片處，根據(jù)芯片尺寸和功率，按第二類邊界條件加載均勻的熱流密度。外部開放空間處理為非封閉的自由流體邊界，設(shè)定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為常溫，考慮重力影響。

為獲得網(wǎng)格無(wú)關(guān)解，利用工況8進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。Solidworks Flow Simulation中采用的是一種網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，將網(wǎng)格分為1～8共8個(gè)等級(jí)（level）。采用兩種網(wǎng)格方案計(jì)算：當(dāng)網(wǎng)格等級(jí)為4，最小網(wǎng)格間距為1 mm，總網(wǎng)格數(shù)140 181，計(jì)算104步收斂；當(dāng)網(wǎng)格等級(jí)為5，最小網(wǎng)格間距為1 mm，總網(wǎng)格數(shù)247 444，計(jì)算126步收斂。

兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖如圖3所示，從圖中看出兩套網(wǎng)格溫差計(jì)算百分比小于1.69%，可以認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格等級(jí)為4，設(shè)定最小網(wǎng)格間距為1mm時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量已滿足計(jì)算要求，后續(xù)的計(jì)算均采用等級(jí)4。

圖3 兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

3 溫度分布特征

3.1 基板溫度變化規(guī)律

工況7基板溫度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況7基板溫度分布圖

由圖4可以看出，在工況7條件下，基板表面最高溫度為325.45 K，最低溫度為321.52 K，溫差3.93 K。由于LED芯片功率密度大，受其布設(shè)位置的影響，基板溫度以熱源（芯片位置）處最高，并以此為中心向四周近似呈輻射狀遞減分布。同時(shí)，芯片功率越大，對(duì)應(yīng)位置的基板溫度越高。根據(jù)基板溫度場(chǎng)的分布特征可以推想，如果保持整個(gè)散熱結(jié)構(gòu)的散熱功率不變，通過(guò)調(diào)整翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得芯片所在位置處對(duì)應(yīng)的散熱器翅片的換熱功率更大，則必然能降低基板的最高溫度，從而使得基板的溫度場(chǎng)分布更加均勻。

3.2 翅片溫度變化規(guī)律

翅片平均溫度、平均換熱系數(shù)隨翅片間距高度比的變化規(guī)律分別如圖5、圖6所示。

圖5 翅片平均溫度隨S/H比值的變化

圖6 翅片平均換熱系數(shù)隨S/H比值的變化

由圖5可以看出，在翅片間距高度比≤0.35范圍內(nèi)，不同位置處翅片的平均溫度隨著比值的增大而減小，且減幅逐漸減小。此外，受基板溫度場(chǎng)非均勻分布的影響，距離芯片越近的翅片，其平均溫度也相對(duì)更高。通常，在芯片功率一定的情況下，翅片表面的平均溫度越高，則翅片的散熱效果越差。圖5表明當(dāng)翅片、、等結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，翅片的散熱性能隨著翅片間距的增大而提高。應(yīng)當(dāng)指出，整個(gè)散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果取決于散熱面積和散熱表面的換熱系數(shù)，隨著翅片間距的增大，翅片數(shù)量減少、散熱面積也隨之減小，但其散熱性能卻得到提高，這是因?yàn)槌崞膿Q熱系數(shù)隨著翅片間距的增大而增大，如圖6所示。同時(shí)，結(jié)合圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)翅片間距增大到一定程度（>0.2）后，翅片換熱系數(shù)隨著增大而增大的幅度逐漸減小，而此時(shí)散熱面積隨著增大而減小對(duì)散熱性能的影響開始不容忽視，因此盡管進(jìn)一步增大，但整體散熱性能幾乎不再改善。此外，由圖6還可以看出，不同工況下最外側(cè)翅片的換熱系數(shù)均明顯大于內(nèi)部翅片，這是因?yàn)楹统崞g槽道相比，外部空間流動(dòng)阻力小，空氣流動(dòng)快、對(duì)流強(qiáng)度更大?？梢?jiàn)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是影響自然對(duì)流散熱性能的關(guān)鍵因素之一。

不同比值條件下翅片槽道間（=0 m）的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。由圖7可以看出，在一定的情況下，越大，翅片間槽道的流動(dòng)阻力越小，外部空氣能更順暢地從側(cè)面進(jìn)入翅片間槽道，帶走翅片表面的熱量，從而提高翅片的散熱性能。

圖7 不同S/H比值條件下翅片槽道間（x=0 m）的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

此外，從邊界層理論也能解釋翅片換熱系數(shù)隨比值變化的規(guī)律。不同比值條件下翅片槽道間（=0 m）的流場(chǎng)和溫度分布圖如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)翅片間距較?。?0.15）時(shí)，翅片間的熱邊界層在槽道中很快相交，兩個(gè)熱邊界層互相影響，導(dǎo)致外部空氣難以進(jìn)入到翅片之間，此時(shí)翅片的平均換熱系數(shù)小、散熱效率低；當(dāng)翅片間距進(jìn)一步增大（= 0.25），翅片間的熱邊界層在整個(gè)翅片高度范圍內(nèi)也不會(huì)相交，此時(shí)翅片的散熱性能明顯提高。結(jié)合圖7和圖8可以預(yù)見(jiàn)，隨著比值的進(jìn)一步增大，翅片換熱系數(shù)的提高將逐漸趨于平緩，當(dāng)達(dá)到某一極限值后，翅片換熱系數(shù)將保持不變。

圖8 不同S/H比值條件下翅片槽道間（z=0 m）的流場(chǎng)和溫度分布

4 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征

工況7、8、9（=0.25、0.30、0.35）的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖9～11所示。

圖9 工況7（S/H=0.25）剖面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖10 工況8（S/H=0.30）剖面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖11 工況9（S/H=0.35）剖面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

由上可以看出，翅片表面附近的空氣受熱升溫，在浮力效應(yīng)作用下向上運(yùn)動(dòng)，為保持流場(chǎng)的連續(xù)性，外部空氣將從兩側(cè)進(jìn)入翅片間的槽道補(bǔ)充到原熱空氣的位置，從而在整個(gè)空間內(nèi)形成自下而上的自然對(duì)流。其中，在翅片間的槽道內(nèi)（即平面）形成一種類似于“單煙囪”型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖9 b、10 c所示；而在平面，流態(tài)呈“多煙囪”結(jié)構(gòu)，如圖9 a所示。應(yīng)當(dāng)指出，翅片間距不同，“多煙囪”流態(tài)的具體結(jié)構(gòu)也略有差別，如工況7（=0.25）、工況8（=0.30）和工況9（=0.35），剖面中的煙囪結(jié)構(gòu)數(shù)量均不同。但不同工況下，處于“煙囪”結(jié)構(gòu)中央位置的空氣流速明顯較兩個(gè)“煙囪”接合部的空氣流速大。

不同工況下各槽道散熱表面的換熱系數(shù)如圖12所示。由圖可以看出，各槽道散熱表面的換熱系數(shù)呈波浪狀分布。

圖12 不同工況下各槽道散熱表面的換熱系數(shù)

進(jìn)一步結(jié)合圖9可以發(fā)現(xiàn)，在“多煙囪”流態(tài)的煙囪結(jié)構(gòu)中央位置，空氣流速相對(duì)較大，對(duì)應(yīng)位置處翅片的平均溫度低，槽道散熱表面的換熱系數(shù)高；而在兩個(gè)“煙囪”的接合部，空氣流速相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)位置處翅片的平均溫度高，槽道散熱表面的換熱系數(shù)低。可見(jiàn)，槽道散熱表面的換熱系數(shù)變化規(guī)律與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是相互匹配的。

5 基板厚度的影響

=0.15時(shí)不同基板厚度條件下翅片的平均溫度分布如圖14所示。

由圖13可以看出，基板越厚，翅片的平均溫度越低，且翅片間的溫差越小，基板厚度為3 mm、5 mm時(shí)翅片間最大溫差分別2.75 K和2.11 K，可見(jiàn)，基板越厚，不僅散熱性能更好，且散熱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)更均勻。

圖13 不同基板厚度下翅片的平均溫度

6 翅片長(zhǎng)度L的影響

保持基板尺寸和翅片、、不變，分別使翅片平行于軸和軸布設(shè)，對(duì)應(yīng)的翅片長(zhǎng)度分別為300 mm、75 mm。兩種工況下翅片的比值分別為10、2.5，對(duì)應(yīng)的總散熱面積分別為0.182 25 m、0.171 m，相差約6.6%。不同比值條件下基板溫度場(chǎng)分布如圖14所示。

圖14 不同L/H比值條件下基板溫度分布

由上可以看出，盡管兩種比值下翅片的總散熱面積相差不大，但其基板的溫度分布差異顯著。=10工況的基板最高溫度為349.67 K，比=2.5工況的基板最高溫度334.64 K高出近15 K，前者基板的最大溫差8.8 K，后者基板的最大溫差7.8 K。可見(jiàn)，在其他參數(shù)相同的情況下，越小的翅片，散熱性能越好、且基板溫度場(chǎng)更均勻。

=10工況下剖面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖15所示。對(duì)比圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著比值的增大，翅片間槽道內(nèi)（剖面）的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)由單煙囪流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎酂焽枇鲬B(tài)，從而惡化了翅片表面的熱交換，使得其散熱性能下降。

圖15 工況5（L/H=10）流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖15 工況5（L/H=10）流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖（續(xù)）

7 結(jié)束語(yǔ)

1）保持整個(gè)散熱結(jié)構(gòu)的散熱功率不變，通過(guò)調(diào)整翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得芯片所在位置處對(duì)應(yīng)的散熱器翅片的換熱功率更大，則必然能降低基板的最高溫度，從而使得基板的溫度場(chǎng)分布更加均勻。

2）在翅片間距高度比≤0.35范圍內(nèi)，不同位置處翅片的平均溫度隨著比值的增大而減小，且減幅逐漸減小。此外，受基板溫度場(chǎng)非均勻分布的影響，距離芯片越近的翅片，其平均溫度也相對(duì)更高。

3）流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是影響自然對(duì)流散熱性能的關(guān)鍵因素之一，槽道散熱表面的換熱系數(shù)變化規(guī)律與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是相互匹配的。

4）基板越厚，不僅散熱性能更好，且散熱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)更均勻。

5）在其他參數(shù)相同的情況下，越小的翅片，散熱性能越好，基板溫度場(chǎng)更均勻。

6）翅片間距很小的情況下，保持芯片位置不變，將芯片位置對(duì)應(yīng)處的翅片數(shù)量減少，這樣可以顯著增加芯片位置處翅片間距與翅片高度的比值，可以大大改善基板溫度場(chǎng)分布。

7）翅片間距稍大，根據(jù)煙囪位置調(diào)整芯片位置，可以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化的目的。

8）翅片間距很大，翅片的平均換熱系數(shù)基本無(wú)變化，通過(guò)改變翅片高度增大換熱面積來(lái)達(dá)到優(yōu)化溫度場(chǎng)的目的，由前面算例統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，找出平均換熱系數(shù)基本不變的翅片間距與高度比，在此基礎(chǔ)上改變翅片高度，進(jìn)行最終優(yōu)化。