某型LED灯具散热器的散热分析

姚寿广,李春涛, 邓江伟

(江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003)

某型LED灯具散热器的散热分析

姚寿广,李春涛, 邓江伟

(江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003)

文中对某型LED灯具散热器进行了散热模拟计算与分析.在实验验证分析模型可靠性的基础上,通过散热器肋片温度场及外空间流场的详细计算和分析,获得了肋片温度分布以及散热器散热特性和影响因素,指出了该型LED灯具散热器存在的不足与问题,为后期LED灯具散热优化设计提供了重要的参考依据.

LED灯具; 散热器; CFD

自LED走入室内普通照明时代,LED的寿命和成本对于普通家庭照明用具的选择来说变得尤其重要.室内白光照明主要通过1～3W的白光LED灯珠组合为一定功率的LED照明设备[1].由于目前LED灯珠只能使20%的电能转化为光能[2],其余电能均耗散为热量,若此热量不能及时散发出去,所带来的温升会使LED发光强度降低、缩短其寿命,并使光源颜色发生偏移[3-4].因此,如何提高和改善LED灯具散热能力成为研究之重,也是LED灯具实现产业化亟待解决的关键技术之一[5-8].

目前,LED灯具散热技术领域涌现了多种新型散热结构,如回路热管散热器、微通道制冷结构、半导体制冷结构等,但由于价格相对较高,现阶段多为依靠被动散热的散热器,对此类散热器,文献[9]对水平放置的环形分布纵向肋片散热器进行了数值研究,并得到了最高效的肋片位置.文献[10]对水平放置的环形分布纵向肋片散热器进行了数值研究,认为致密的矮肋片能趋向最大的散热量.文献[11]对圆形底座辐条状垂直肋片的散热器进行了数值和实验研究,得出了这种散热器的经验关联式以及最优化参数.文献[12]对环形分布纵向肋片散热器的自然对流性能进行了实验研究,并给出了经验关联式.文献[13]研究了不同功率下家用LED灯翅片散热器内的温度分布和表面传热系数等换热性能,得到了散热器基板温度随加热时间的变化趋势.

文中对某型LED灯具异形散热器进行了散热模拟计算与分析,并通过对散热器特征点的温度实测验证了分析模型的可靠性,在此基础上进一步对该型LED灯具的散热效果进行了详细的分析,为下一步散热器的结构优化提供了一定的参考依据.

1 LED灯具散热器温度场模型

1.1 物理模型

针对LED灯具散热器的温度场模拟,在不影响分析结果的精确度和可靠性的前提下,进行如下假设:

1)LED属于冷光源,其辐射换热效应相对于传统光源来说极小,因此散热器主要是以导热和空气自然对流换热为主,因此模拟过程中忽略辐射换热的影响;

2)忽略LED灯珠内部结构热阻,将整个灯珠简化为圆柱发热体,其单颗灯珠输入功率1W,光转换率为20%;

3)忽略铝基板与散热器之间导热硅胶热阻;

4)由于灯珠与基板之间,接触面小而紧密,接触热阻忽略不计.

大功率LED灯具散热器按照散热系统简化模型(图1)建立几何模型如图2.从下至上依次为灯罩-灯珠-铝基板-散热器-灯头.在实际结构尺寸的基础上忽略了对结果影响不大的几何圆角,压紧螺丝口以及导线插入口和部分细微的不规则突起.5颗灯珠按圆心每隔72°排列.散热器共40个散热肋片呈环形对称分布,肋片厚度为1mm,铝基板厚度2mm,散热器最大直径和高分别为54,50mm,具体散热器材料和空气物性见表1.

图1 LED灯具散热系统简化模型Fig.1 Simplified model of LED lamp radiator

图2 LED灯具物理模型Fig.2 Physical model of LED lamp

表1 材料的物性参数Table 1 Material parameters

1.2 数学模型

文中是自然对流散热,建立流动的数学模型的控制方程,控制方程如下:

连续性方程(质量守恒方程):

(1)

动量方程分量式:

(2)

(3)

(4)

能量方程:

(5)

固体部分的导热微分方程:

(6)

式中:ρa为空气的密度,kg/m3;α为空气的热扩散率,m2/s;μ为空气的运动粘度,m2/s;u,v,w分别为x,y,z方向的速度分量,m/s;气固耦合边界上温度连续.

(7)

1.3 计算模型

为采用整体求解法求解散热器的自然对流换热过程并满足散热器外部自然对流换热模拟计算的准确性要求,需要在散热器周围选择一个足够大空间作为空气流动计算区域.但是计算区域越大,网格越多,浪费计算资源也就越多.根据多次的计算结果分析和自然对流换热过程对周围空气的影响范围看,计算模型外部大空间选取为1000×1000×1000的计算流体区.

图3 计算模型Fig.3 Calculation model

图4 内部网格细化

Fig.4Meshingofcomputationaldomain

1.4 边界条件

根据LED灯散热模型的特点,设定相应的边界条件如下:

1)简化后灯珠表面除热源面以外设置为绝热壁面,灯罩内铝基板表面由于封闭空间空气不流通设置为绝热壁面,其余与空气接触壁面按耦合面定义,在固体边界上对速度取无滑移边界条件(no-slip boundary condition),即在固体边界上流体的速度等于固体表面的速度.气固耦合边界上连续条件为:

(8)

2)散热器是在大空间中进行自然对流换热,环境温度为30℃,计算域的大空间的6个面均设为压力入口边界条件,环境压力为1个大气压.

1.5 数值过程

在设置材料属性和采用整场求解散热器散热过程时,固体区域(铝)与流体区域(空气)中的导热系数采用各自的实际值,计算区域采用有限容积法在同位网格上进行,求解采用压力速度耦合的simple算法,动量和能量方程中的对流项均采用二阶迎风格式,计算收敛的条件选取相邻两个迭代步之间的残差小于给定量能量残差为1×10-6,其余均为0.001.

2 散热器温度场分析模型验证

通过模拟得到灯具散热器及外部流场与温度场的分布结果.同时,对该型LED灯具散热器特征点进行温度实测,实验是在大空间无风条件下进行,灯具方向根据实际应用状态将散热器肋片朝上而灯珠出光面朝下.当热电偶温升不变时认为试验系统进入稳定工作状态,开始记录测量点温度及环境温度,实测环境温度控制在30±0.5℃.测量系统见图5.

图5 温度测量系统Fig.5 Schematic of the temperature measurement system

实验中热电偶布置铝基板、灯珠正下、灯珠间肋片的不同位置,具体选择肋片基板表面共12个点作为特征测量点.具体位置见图6,测量点实验值与模拟值对比见表2.

图6 肋片与基板温度测量点位置Fig.6 Measuring point of the radiator

表2 测量点温度对比Table 2 Measurement point temperature contrast

表2中特征点数值模拟结果与实验测量的各点最大误差为2.88%,说明模拟结果与实验结果相吻合,证明了文中建立的分析模型是合理的.

3 灯具散热效果的分析与评价

散热器形状、大小,周围空气的流动速度是影响散热性能的主要因素,热量首先以热传导的方式传递到铝基板,然后再传递给散热器,从散热器整体温度分布(图7)可知由于热源的热效应使得散热器上表面温度出现不均匀现象.从灯珠到肋片上端,LED灯具散热器的温度逐渐降低,散热器最大温度位于肋片与基板接触面达到了334 K,最低温度位于肋片顶部约为323K,散热器的整体温度分布梯度较大.

图7 散热器整体温度分布Fig.7 Radiator temperature distribution

由于散热器肋片与灯珠热源分布呈对称关系,将散热器如图8所示等分,等分后的散热器肋片组5个肋片温度分布是相同的,取出灯珠正下一侧顺序分布的5个肋片观察温度(T)分布情况(图9).

图8 肋片组等分示意Fig.8 Fin group parts diagram

从图9可以看出在灯珠正下方肋片温度要高于灯珠间的肋片,距离灯珠散热集中区越近的肋片(肋片1，肋片2)其温度相对越高,温度变化梯度越大.主要对流换热区发生在基板至肋片Y方向距离(L)44 mm左右,而基板至肋片Y方向超过44 mm以上温度梯度则基本没有变化,说明并没有发挥充分的散热作用,肋片过高,灯珠的布置方式也是影响散热器散热效果的关键因素之一,在考虑散热性能时应尽可能在灯珠下多放置肋片.

图9 5个肋片表面温度变化Fig.9 Surface temperature rib variation

图10为肋片通道流场速度矢量图，图中可以看出,肋片通道内的流场结构非常简单,具有明显的单向性,即肋片间通道内的空气流动几乎始终是自下而上的,在肋片顶部和肋片根部不存在环流结构,这样的结构不会因为滞流空气的作用对散热产生不利影响.散热器结构参数对肋片通道内空气速度的影响有待进一步的研究.

图10 肋片通道流场速度矢量图Fig.10 Local velocity vector of the middle of the fin

4 结论

文中釆用CFD数值模拟方法对某型LED灯具散热器进行了散热模拟分析,并通过实验进行了验证.通过散热器肋片温度场及外空间流场与温度场的详细计算和分析,获得了肋片温度分布以及散热器散热特性和影响因素,分析肋片温度分布及散热特性得出了该型LED灯具散热器存在的不足与问题,为后期LED灯具散热优化设计提供了一定的参考依据.

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(责任编辑：曹 莉)

ThermalanalysisbasedonacertaintypeofLEDlampradiator

Yao Shouguang, Li Chuntao, Deng Jiangwei

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

In this paper, a certain type of LED lamp radiator was simulated with CFD software. The results of thermal simulation and analysis showed that the temperature distribution of this type of LED lamps radiator agreed with the experimental results. Based on the consistency of the LED lamp radiator experiment and simulation results, the detailed calculation and analysis with the flow and temperature of the fin were given. The factors of temperature distribution and the effect of heat dissipation characteristics turned out that the type LED lamp radiator had shortcomings and problems, which provides a good reference for the engineering optimial design.

LED lamp; radiator; CFD

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.04.013

2014-05-14

姚寿广(1962—)，男，博士，教授.研究方向为流动与传热的数值模拟、强化传热技术、热田径设备与系统的分析优化等. E-mail:zjyaosg@126.com

TP391.9

A

1673-4807(2014)04-0370-05