曹露澤，韓秋漪，李福生，，荊 忠，張善端，

(1.復(fù)旦大學(xué) 工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200438；3.上海邁芯光電科技有限公司，上海 201612)

引言

功率型LED作為極具應(yīng)用潛力的新型光源，在各個(gè)領(lǐng)域不斷被深入研究和應(yīng)用[1，2]。特別是光固化應(yīng)用對(duì)于大功率紫外LED器件的需求日益急迫[3]，熱管理成為需要解決的首要問(wèn)題[4]。目前應(yīng)用于LED系統(tǒng)的主流散熱器包括風(fēng)冷和液冷散熱器[5-7]。韓秋漪等[8]和錢坤等[9]采用水作為散熱工質(zhì)，比空氣能進(jìn)一步提高散熱器的換熱性能，更有效地降低LED芯片結(jié)溫，提高光源輻射效率，紫外LED的輸入功率密度達(dá)到815 W/cm2。李思琪等[10]設(shè)計(jì)制備的液態(tài)金屬散熱器具備極高的散熱能力，解決了多顆芯片并聯(lián)的高功率密度光源模塊散熱難題，紫外LED的輸入功率密度高達(dá)940 W/cm2。

傳統(tǒng)水冷散熱器通道結(jié)構(gòu)單一、流速損失較大，容易造成沿流動(dòng)方向熱量累積，表面溫度分布不均。針對(duì)水冷散熱器中流體的流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)雷諾數(shù)Re=ρυR/μ(υ為速度，ρ為密度，R為管道半徑，μ為流體粘度)較大時(shí)流體為湍流狀態(tài)，由于具有一定黏性，流體流過(guò)光滑通道壁面時(shí)流速會(huì)減小，壁面附近存在一層處于層流狀態(tài)的薄流層[11，12]，破壞此層流底層能夠強(qiáng)化散熱。目前強(qiáng)化散熱主要采用插入擾流元件的方式，破壞壁面邊界層，改變流體通道形狀規(guī)則，流體在通道內(nèi)產(chǎn)生漩渦流，提高綜合傳熱系數(shù)。

圓柱形擾流柱作為典型的插入擾流元件，能增大流體間的擾流，進(jìn)行強(qiáng)化傳熱[13-15]。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大功率紫外LED的圓柱擾流水冷散熱器，通過(guò)改變蓋板厚度、圓柱直徑、水槽結(jié)構(gòu)和流速四種方式建立不同模型進(jìn)行仿真計(jì)算，從溫度場(chǎng)和流場(chǎng)角度分析傳熱影響因素[16]。新型散熱器對(duì)比全串聯(lián)光源模塊使用的傳統(tǒng)循環(huán)水域散熱器[17]，達(dá)到了提高散熱傳熱性能和流動(dòng)均勻性的目的，為進(jìn)一步降低芯片結(jié)溫提供了可行設(shè)計(jì)。

1 新型散熱器設(shè)計(jì)仿真

1.1 新型散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳熱方程式：Φ=AKΔT，其中Φ為單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，可得知增大傳熱面積A和增強(qiáng)傳熱系數(shù)K是強(qiáng)化傳熱的重要手段。工程中應(yīng)用擾流元件就是典型的通過(guò)增強(qiáng)傳熱系數(shù)來(lái)提高傳熱量，而擾流元件的形狀和排列方式成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)。馬小晶等[18]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了不同尺寸和形狀擾流元件對(duì)換熱和流阻的影響，研究結(jié)果表明，圓柱形元件具有良好的換熱效果，且在光滑圓管內(nèi)圓柱元件直徑越大，對(duì)流換熱效果越好。對(duì)于多元件排列方式來(lái)說(shuō)，采用交叉排列方式的傳熱效果要優(yōu)于單一排列方式[19]。

基于上述強(qiáng)化散熱原理，本文采用圓柱體作為擾流元件形狀，提出了一種圓柱擾流水冷散熱器。本設(shè)計(jì)與晶閘管水冷散熱器[20]的不同之處在于擾流柱直接做在蓋板上，便于加工過(guò)程更改蓋板厚度和圓柱直徑。另外，LED熱源相比于晶閘管熱量分布更為集中，后續(xù)優(yōu)化增加擋板放置于LED芯片排列位置，改進(jìn)為雙進(jìn)雙出結(jié)構(gòu)，以LED芯片排列軸線對(duì)稱分隔兩個(gè)腔室，進(jìn)一步均勻芯片堆積的熱量。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以精簡(jiǎn)易加工為主旨，分為上下兩部分：蓋板部分和水槽部分(圖1)。蓋板和水槽之間用金屬螺絲連接固定，蓋板上有圓柱肋片，圓柱排列在以蓋板中心點(diǎn)O為圓心的同心圓上。水槽設(shè)計(jì)為圓形，單進(jìn)水管出水管設(shè)計(jì)在水槽的側(cè)面，其中進(jìn)水管位于與LED電路條平行的直徑延長(zhǎng)線上，出水管偏移45°，兩管口夾角135°，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 散熱器尺寸

圖1 圓柱擾流水冷散熱器Fig.1 Cylindrical disturbed flow water cooling radiator

1.2 仿真模型構(gòu)建

本文對(duì)水冷散熱器進(jìn)行3D幾何建模，建模時(shí)忽略螺紋線、金線、密封圈等微小結(jié)構(gòu)，保留金屬基板、絕緣基板、散熱器蓋板、擾流圓柱、水槽以及水域等主體部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。其中，LED模塊為6顆芯片全串聯(lián)的高功率密度UV LED光源模塊，尺寸為60 mm × 19 mm × 6 mm，輸入功率可達(dá)300 W以上，如圖2(b)所示。圖2(c)標(biāo)注了三個(gè)探針點(diǎn)位置，分別用來(lái)檢測(cè)仿真中芯片結(jié)溫、電路基板溫度和水冷散熱器蓋板溫度的變化。

圖2 水冷散熱器3D幾何模型Fig.2 Water cooling radiator 3D geometry model

網(wǎng)格劃分對(duì)于仿真計(jì)算來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，影響仿真速度和精度。對(duì)模型不同部分進(jìn)行不同細(xì)分程度的網(wǎng)格劃分，水冷散熱器部分采用正常尺寸網(wǎng)格，其中水域部分調(diào)整為流體動(dòng)力學(xué)，其他部分均為普通固體，對(duì)于尺寸較小的LED模塊結(jié)構(gòu)則采用較細(xì)化網(wǎng)格，如圖3所示。此模型總網(wǎng)格數(shù)在30萬(wàn)左右，計(jì)算時(shí)間和精度能夠滿足要求。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model meshing

為方便流場(chǎng)計(jì)算中對(duì)湍流模型的建模，使用普遍適用的k-ε模型，其湍流動(dòng)能方程為：

Gk+Gb-ρε-YM

(1)

式中，μ為湍流粘性系數(shù)；σ為脈動(dòng)動(dòng)能的Prandtl數(shù)；Dk表示擴(kuò)散相；Gk表示速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb表示浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生。

升力系數(shù)為：

(2)

斯特勞哈爾數(shù)為：

(3)

式中，St是研究物體擾流時(shí)振蕩流的無(wú)量綱度量；f為渦脫落頻率；L代表流場(chǎng)中的圓柱直徑；U是來(lái)流速度。高雷諾數(shù)時(shí)k-ε模型可以捕捉流體經(jīng)過(guò)擾流柱后的渦脫落行為[21]，可以對(duì)復(fù)雜湍流達(dá)到良好的仿真模擬效果。

新型水冷散熱器材料及導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表2。將各部分材料和參數(shù)在COMSOL中輸入，并在需要錫膏焊接的薄層位置設(shè)置等效薄層熱阻，厚度設(shè)置為1 mm，熱導(dǎo)率為50 W/(m·K)，能夠模擬焊接層的導(dǎo)熱情況，使得仿真計(jì)算結(jié)果更加貼合實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

表2 不同區(qū)域的材料

根據(jù)全串聯(lián)模塊仿真成功預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，同樣用熱通量模擬散熱器表面自然對(duì)流，設(shè)定約10 W/(m2·K)的對(duì)流傳熱系數(shù)。流體部分選擇湍流模型k-ε模型并且選擇不可壓縮流，初始環(huán)境溫度為21 ℃。熱功率依據(jù)6顆芯片全串聯(lián)LED不同輸入功率對(duì)應(yīng)的輻射效率進(jìn)行設(shè)置[17]，在15 A工作電流、電功率324 W、功率密度為643 W/cm2時(shí)，采用傳統(tǒng)循環(huán)水域散熱的LED模塊在仿真中結(jié)溫可以達(dá)到120 ℃，本文的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果將與傳統(tǒng)水冷散熱器仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓋板厚度對(duì)芯片結(jié)溫的影響

LED熱量通過(guò)水冷散熱器蓋板到達(dá)流體區(qū)域，是熱量傳遞的重要途徑。不同通道結(jié)構(gòu)的水冷散熱器一般具有相似的蓋板結(jié)構(gòu)，研究蓋板厚度對(duì)芯片結(jié)溫的影響對(duì)散熱器的設(shè)計(jì)具有普遍指導(dǎo)意義。本文選取厚度1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm和15 mm進(jìn)行仿真，計(jì)算不同厚度下的芯片結(jié)溫、電路板溫度以及蓋板溫度。

從圖4可以看出，在蓋板厚度<5 mm時(shí)，三個(gè)探針點(diǎn)溫度隨蓋板厚度的增加有明顯的下降，結(jié)溫從123 ℃降至100 ℃，基板溫度從83 ℃降至62 ℃，溫差超過(guò)20 ℃，說(shuō)明小范圍增加蓋板厚度可以有效提高散熱。LED芯片產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)金屬銅層迅速傳遞，傳導(dǎo)部分熱量之后剩余熱量到達(dá)水域經(jīng)過(guò)水流帶走。在厚度>5 mm的區(qū)域溫度變化幅度較小，可以得知通過(guò)增加蓋板厚度來(lái)改善傳熱是有限的，厚度繼續(xù)增加會(huì)影響水冷系統(tǒng)的作用發(fā)揮。在實(shí)際應(yīng)用中，可以避免加工過(guò)厚的蓋板，以仿真結(jié)果拐點(diǎn)處的厚度值作為工藝最優(yōu)參數(shù)，減少耗材，降低成本。

圖4 蓋板厚度對(duì)探針點(diǎn)溫度的影響Fig.4 Dependence of probe point temperature on the cover plate thicknesses

2.2 圓柱直徑對(duì)芯片結(jié)溫的影響

增加換熱面積的一種有效方式是增大圓柱體直徑，來(lái)增加圓柱體與水流接觸的表面積。保持?jǐn)_流的排布不變，將46根擾流柱的直徑由3 mm增加到7 mm，設(shè)置優(yōu)化后的蓋板厚度5 mm和統(tǒng)一的流速2.5 m/s，對(duì)增大直徑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到如圖5所示的溫度結(jié)果。芯片結(jié)溫從106 ℃降至100 ℃，由于銅材的熱導(dǎo)率高，更多熱量會(huì)以熱傳導(dǎo)的方式從受熱基板傳至擾流柱，銅柱與流體之間對(duì)流換熱面積增大，散熱器整體散熱性能進(jìn)一步提升。從圖5曲線趨勢(shì)分析，繼續(xù)增大擾流柱直徑，三個(gè)探針點(diǎn)溫度會(huì)繼續(xù)降低。考慮到直徑增大，擾流圓柱的體積相應(yīng)增大，柱間流體通道過(guò)于狹窄會(huì)導(dǎo)致流阻增大[22]，結(jié)合散熱器本身尺寸，直徑優(yōu)化到7 mm左右為最佳。該條件下可使功率密度643 W/cm2的UV-LED模塊結(jié)溫降至100 ℃以內(nèi)的安全工作溫度。

圖5 圓柱直徑對(duì)探針點(diǎn)溫度的影響Fig.5 Dependence of probe point temperature on the diameter of cylinder

圖6展示了直徑4 mm、5 mm、6 mm、7 mm時(shí)的流速分布圖，可以清楚對(duì)比直徑對(duì)水流流速均勻性的影響。增大圓柱直徑后，水流流過(guò)圓柱的速度明顯增大，而且高流速的水域分布較廣。這是因?yàn)橹睆降脑黾訉?dǎo)致柱間的間距變小，水流通過(guò)每?jī)筛鶖_流圓柱之間的通道更窄，流過(guò)柱間通道后流道截面積增大，流速會(huì)隨截面積的增大而減小，而擾流柱排布密度增加會(huì)使水流進(jìn)入下一個(gè)柱間通道的距離縮短，減少了流速損失。高流速的水流會(huì)更快帶走模塊的熱量，因此芯片下方流體速度大小分布對(duì)于水冷散熱器的散熱性能至關(guān)重要。

圖6 不同直徑下的流速分布圖：(a)3 mm；(b)4 mm；(c)5 mm；(d)7 mm Fig.6 Flow velocity distribution under different diameters：(a)3 mm；(b)4 mm；(c)5 mm；(d)7 mm

2.3 水槽擋板結(jié)構(gòu)對(duì)芯片結(jié)溫的影響

針對(duì)上述提到的高流速水流區(qū)域分布不均的問(wèn)題，本文對(duì)水槽結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化，解決芯片正下方高流速水流分布問(wèn)題。設(shè)計(jì)水槽為雙腔室，在芯片排列軸線處的水槽直徑位置增加一個(gè)薄層擋板，將水槽分為兩個(gè)腔室，兩邊各有一個(gè)進(jìn)水口和出水口，且方向相反，可沿?fù)醢灞诿嫘纬蓪?duì)沖，使散熱器工作過(guò)程中流體溫度更均勻。進(jìn)水管和出水管夾角取90°，兩邊對(duì)稱分布，形成雙進(jìn)雙出水冷散熱結(jié)構(gòu)，如圖7所示。設(shè)定蓋板厚度5 mm、圓柱直徑7 mm進(jìn)行仿真，溫度曲線如圖8所示，增設(shè)擋板的雙進(jìn)雙出結(jié)構(gòu)相比無(wú)擋板結(jié)構(gòu)結(jié)溫降低5 ℃左右。

圖7 增加擋板散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The radiator structure diagram of adding baffle

圖8 各探針點(diǎn)溫度仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of probe point temperature under different thermal power

無(wú)擋板和雙進(jìn)雙出結(jié)構(gòu)流速分布對(duì)比如圖9所示，可以看出加擋板后的雙腔室水域高流速水域分布更為廣泛，兩個(gè)腔室基本呈現(xiàn)對(duì)稱的情況，整體流速提高，擋板附近靠近芯片下方流速達(dá)到最高。

圖9 不同結(jié)構(gòu)的流速對(duì)比圖：(a)單進(jìn)水口；(b)雙進(jìn)水口Fig.9 Flow velocity comparison of different structures：(a)single-inlet；(b)double-inlet

由于擋板的存在，水流從進(jìn)水管進(jìn)入水槽之后，在兩個(gè)圓柱擾流體之間形成擾動(dòng)，形成較多旋渦，加強(qiáng)湍流強(qiáng)度，流至擋板位置后受到阻擋，小部分水流折返回來(lái)重新經(jīng)過(guò)入水口左側(cè)，剩余部分經(jīng)過(guò)擾流圓柱繼續(xù)流向出水口。此結(jié)構(gòu)可以明顯改善流速不均的問(wèn)題，進(jìn)一步降低了芯片結(jié)溫。

2.4 流速對(duì)芯片結(jié)溫的影響

由于擾流圓柱的存在，散熱器流阻增大，流速成為關(guān)鍵的影響因素之一，在雙進(jìn)雙出圓柱擾流結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)流速0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s和3.5 m/s分別進(jìn)行仿真。圖10為流速和溫度的變化關(guān)系，0.5～1.0 m/s區(qū)間溫度變化相對(duì)明顯，流速3.5 m/s相比于0.5 m/s時(shí)結(jié)溫降低9 ℃左右，在泵功和散熱器通道結(jié)構(gòu)壓力允許的條件下，適當(dāng)增加流速是提高散熱器散熱性能的有效手段。

圖10 流速對(duì)溫度的影響Fig.10 Dependence of temperature on the flow velocity

圖11對(duì)比了流速0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s和3.5 m/s下的水域速度分布，可以清晰地看到水速越高速度分布均勻性越好。水速較低的時(shí)候，圓柱擾流體的阻擋作用會(huì)使水流降低到更低的速度，熱量很難被迅速帶走，換熱效果差；當(dāng)流速增大時(shí)，水流迅速通過(guò)擾流圓柱之間，加強(qiáng)了柱間擾動(dòng)，流體的湍流強(qiáng)度增大，提升換熱效果。當(dāng)水速達(dá)到3.5 m/s時(shí)，明顯看出擋板附近擾動(dòng)劇烈，加強(qiáng)與芯片下方基板的換熱。由于水流在柱間碰撞形成旋渦流會(huì)使流阻梯度增大，這會(huì)使水泵的消耗功變大，需要的電能更多。

圖11 不同流速下的速度分布圖，流速為：(a)0.5 m/s；(b)1.5 m/s；(c)2.5 m/s；(d)3.5 m/s Fig.11 Velocity distribution under different flow velocity：(a)0.5 m/s；(b)1.5 m/s；(c)2.5 m/s；(d)3.5 m/s

2.5 散熱效果對(duì)比

本文對(duì)原型循環(huán)水域散熱器和圓柱擾流水冷散熱器的散熱效果進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。在15 A的大電流條件下二者芯片結(jié)溫差距明顯，此時(shí)光源模塊的電功率為324 W，功率密度643 W/cm2，熱功率260 W，結(jié)溫由120 ℃降至95 ℃，降低了25 ℃，散熱器散熱性能提升16.7%。

圖12 兩種散熱器的散熱效果對(duì)比Fig.12 Comparison of the cooling effect of two kinds of radiators

根據(jù)仿真模型的可靠性可以分析，在實(shí)際應(yīng)用中，新型圓柱擾流水冷散熱器可以有效降低結(jié)溫。傳統(tǒng)的水冷散熱器這是由于水流從進(jìn)水管進(jìn)入水槽之后速度明顯損失，垂直方向減速嚴(yán)重，導(dǎo)致上層水域流動(dòng)性比較差，帶走熱量速度慢。水平方向上流動(dòng)路徑較長(zhǎng)且無(wú)額外換熱元件，容易造成橫向升溫，影響LED光源模塊的均勻性。新型圓柱擾流水冷散熱器在無(wú)額外驅(qū)動(dòng)的條件下可以優(yōu)化水流速度分布，有效降低高功率模塊結(jié)溫，滿足更大功率LED光源模塊應(yīng)用于地坪固化、光纖固化等實(shí)際場(chǎng)景的散熱需求。

3 結(jié)論

本文基于擾流元件強(qiáng)化散熱的原理，提出了一種新型圓柱擾流型水冷散熱器，并對(duì)其進(jìn)行3D建模和仿真。針對(duì)散熱器各結(jié)構(gòu)中影響散熱的因素分別進(jìn)行討論，優(yōu)化了蓋板厚度、擾流圓柱直徑、水槽擋板結(jié)構(gòu)和流速，從流動(dòng)均勻性和換熱效果兩個(gè)角度進(jìn)行分析，可知增大圓柱直徑、增加擋板改變水槽結(jié)構(gòu)可從散熱器結(jié)構(gòu)出發(fā)使高速水流分布區(qū)域擴(kuò)大，流速均勻進(jìn)一步提升芯片陣列溫度均勻性，功率密度643 W/cm2的LED模塊芯片結(jié)溫由120 ℃降低至95 ℃。