肋片个数及表面发射率对LED灯散热的影响



肋片个数及表面发射率对LED灯散热的影响

舒宏坤, 翁建华

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海200090)

摘要:在散热量一定的条件下,热分析计算了5种不同肋片数的LED散热器结构,通过迭代计算得到LED灯散热器表面温度,比较得出散热效果最好的肋片数.同时还比较了散热器在两种不同表面发射率情况下的表面温度.计算结果表明,对给定的散热器结构及散热量,在一定条件下20个肋片数时散热器表面温度最低,散热效果最好.此外,增加表面发射率能有效提升其散热效果,降低肋片温度.

关键词：LED灯; 肋片; 表面发射率; 热分析

自发光半导体二极管(LED)问世以来,经过几十年的发展,LED已被广泛应用于各行各业中,并已从原来的单色光源跨入到全彩时代.[1]尤其是从21世纪以来,作为第4代光源,大功率LED有着节能、环保、长寿命和高亮度等优点,应用领域十分广阔.推广使用LED节能灯具,对缓解世界能源危机有着十分重要的作用.在大功率LED灯发展中,散热一直是个备受关注的问题.良好的散热不仅能延长其使用寿命,还能提高器件的工作效率.目前,大功率LED灯的光电转化效率仅为10%～20%,其余的均转化为热能散发到环境中.[2]若热量不能被有效散失,一直聚集在芯片等电流密度较大的小尺寸区域,芯片温升过高引起热应力分布不均将加快LED芯片和荧光粉的老化,缩短其使用寿命,并降低发光效率.[3]

解决LED灯散热问题,常见的有两种途径:一是改进LED芯片,提高芯片发光效率.这方面的改进需要寻找新型半导体材料或改变芯片的结构.二是设计出性能良好的外部散热装置.[4-5]

出于成本及噪声等方面的考虑,在功率不是特别高的情况下,LED的散热主要采用被动散热.在LED灯被动散热设计中,一般会从热传导和强化自然对流换热方面寻找方法以提高其散热量.例如,不同的肋片截面形状对LED灯的散热性能有一定的影响.郭凌曦等人[6]利用Matlab软件和ANSYS软件对LED散热进行了分析,结果发现,在自然对流散热情况下,矩形截面肋片具有更大的散热面积,并且垂直安装时散热效果最好.肋片的非等距排列方式对LED散热也具有促进作用,蔡雪梅等人[7]通过数值分析对比了4种不同疏密度的肋片散热器,结果显示,中间密两边疏的排列结构能有效降低芯片结处的温度.MEHMET A等人[8]运用CFD软件对LED不同形状的散热片进行了散热比较,结果显示,板形翅片最高温度要低于针形肋片.尽管针形肋片具有更好的空气扰动性,换热系数大,但板形翅片的换热面积却比针形肋片要大很多.而且热辐射方面也有可改进之处,如增大肋片表面的发射率等.普通铝板材料的表面发射率较低,限制了通过辐射的散热.若在肋片表面涂上高发射率材料或在肋片表面进行发黑处理,可提升灯具的辐射散热能力.此外,热管也被用于LED及其他电子产品的散热.[9-10]为加强灯光的发光强度,LED的集成化组装变得越来越普遍,且安装空间一般都比较狭小,热量集中而难以快速散失.热管作为一种高效热传导元件,散热效果明显.

本文主要分析了大功率LED灯在5种不同散热片数量情况下的散热量,并对比两种不同表面发射率时的散热情况,以期改善LED芯片的外部散热状况,降低肋片表面的温度,从而降低LED芯片的温度.

1LED散热器结构

LED灯主要由LED灯珠及散热器等组成.图1和图2分别为进行散热研究的LED散热器的结构简图及俯视图.LED灯珠位于圆筒形散热器上表面.散热器由圆筒壁、圆筒上表面以及圆筒壁面上的肋片组成.圆筒壁直径为16 mm,肋片长L和高H均为10 mm,厚度t为1.3 mm;肋片间距S依肋片个数而定.散热器材料为铝合金.

图1　LED散热器结构示意

图2　LED散热器俯视示意

2LED灯散热计算方法

肋片材料为铝合金,导热系数较高,为简化计算,假设肋片处于同一温度下.同时,LED的散热主要通过肋片的自然对流和辐射,忽略散热器上表面、圆筒内壁面和肋片顶端部分的散热.在LED散热量给定的条件下,假定散热器表面温度,然后计算在此温度下的自然对流和辐射散热量,通过多次迭代计算,使计算得到的散热量与给定的散热量吻合,而此时散热器表面温度的假设值即为计算得到的温度.

不同于平壁肋片,圆桶壁肋片间的间距沿肋片方向逐渐增大,由于尚未见到圆桶壁肋片相关的自然对流换热实验关联式,计算时由平壁肋片关联式近似代替,并以肋片端部之间的间距作为两个相邻肋片的间距.努塞尔数计算公式为:[11]

(1)

(2)

式中:Ras——瑞利数;

H——肋片高度,m;

S——相邻肋片顶部之间的间距,m;

β——空气的体胀系数,1/K;

ts,t∞——肋片表面和空气的温度,℃;

ν——空气的运动粘度,m2/s;

Pr——普朗特数;

g——重力加速度, m/s2.

计算得到Nu数后,肋片表面的自然对流换热系数为:

(3)

式中:k——空气的导热系数,W/(m·K).

肋片通过自然对流的散热量为:

(4)

式中:A——单个肋片的表面面积,m2;

n——肋片个数.

肋片的辐射换热量为:

(5)

式中:m——相邻肋片组成的辐射腔体的个数,数量上等于肋片个数;

σ——Stefan-Boltzmann常数,W/(m2· K4);

t0——周围表面温度,℃;

A2——肋片一侧表面面积,m2;

ε——肋片表面的发射率;

相邻肋片组成的辐射腔体如图3所示.

图3　相邻肋片组成的辐射腔体

Am对An角系数计算如图4所示.首先,由FdAm-An计算公式[12]和数值积分计算得到FAm-An,再由角系数之间的关系计算得到肋片表面间的辐射角系数FA2-A1.同样,通过FdAm-An计算公式以及数值积分也可计算得到肋片表面对肋根表面的辐射角系数FA2-A3.由此,可最终得出辐射角系数F1和F2.

图4　Am对An的角系数计算

3计算结果与分析

表1　不同肋片个数时的角系数与表面面积

表2　发射率为0.25时不同肋片个数计算结果

由表2和表3可知,LED的散热主要是通过自然对流换热来实现的,自然对流换热占总散热量的比例高于辐射换热.随着肋片数的增加,辐射换热占总散热量的比例逐渐增加,这主要是由于辐射换热面积的增加所致.此外,对比表2和表3可知,肋片表面发射率增大,辐射换热占总散热量的比例升高,在相同肋片数下,散热器表面温度就低,发射率为0.87时散热器表面温度比0.25时低3～4 ℃,由此表明提高散热器表面的发射率,可以有效改善散热效果.

表3　发射率为0.87时不同肋片个数计算结果

图5为不同发射率时散热器表面温度随肋片个数的变化曲线.由图5可知,在不同发射率下,当肋片个数为20时,散热器表面温度均为最低,此时散热器的散热效果最好.

图5　　不同发射率时散热器表面温度随肋片个数的变化曲线

4结语

本文采用自然对流换热实验关联式,并考虑散热器表面的辐射换热,分析了不同肋片个数以及表面发射率对LED散热的影响,结果表明,给定散热器结构、散热量及肋片数为20个时,散热器表面温度最低,散热效果最好.

参考文献：

[1]赵凤舞.浅析LED灯具的散热设计[J].信息技术与信息化,2012(5):125-128.

[2]陈启勇,何川,高园园.大功率LED路灯散热器自然对流的数值研究[J].半导体光电,2011(4):498-505.

[3]陈海路,胡书春,王男.大功率LED器件散热技术与散热材料研究进展[J].功能材料,2013(S1):15-27.

[4]杨广华,李玉兰,王彩凤.基于LED照明灯具的散热片设计与分析[J].电子与封装,2010(1):39-42.

[5]王静,吴福根.改善大功率LED散热的关键问题[J].电子设计工程,2009(4):123-125.

[6]郭凌曦,左敦稳,孙玉利.肋片截面及安装角度对LED散热性能的影响[J].半导体光电,2014(3):484-487.

[7]蔡雪梅,金涛.基于有限元分析的LED肋片散热器非等距排列研究[J].电子世界,2012(6):3-5.

[8]MEHMET A,CHARLES B,STANTON W,etal.Thermal management of LEDs:package to system[C]// Third International Conference on Solid State Lighting, San Diego,California,USA,2003:5-7.

[9]郭凌曦,左敦稳,孙玉利.LED散热技术及其研究进展[J].照明工程学报,2013(4):64-70.

[10]IVANOVA M,AVENAS Y,SCHAEFFER C,etal.Heat pipe integrated in direct bonded copper (DBC) technology for cooling of power electronics packaging [J].IEEE Trans Power Electron,2006,21(6):1 541-1 547.

[11]CENGEL Y A.Heat transfer:a practical approach[M].2nd ed.New York:McGraw-Hill,2003:473-475.

[12]杨贤荣,马庆芳,原庚新,等.辐射换热角系数手册[M].北京:国防工业出版社,1980:98-100.

(编辑胡小萍)

shuhongkun@163.com.

Influence of Number of Fins and Surface Emissivity on Heat Dissipation of LED

LightsSHU Hongkun, WENG Jianhua

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:Given the same amount of dissipated heat,thermal analysis and calculation of an LED heat sink with five different numbers of fins are performed.The surface temperature of the LED heat sink is obtained by iterative calculation.By comparison,the number of fins with lowest surface temperature is obtained.Meanwhile,the surface temperature of the heat sink is calculated and it is lowest with 20 fins,which means the effect of heat dissipation is best for the given heat sink structure.Moreover,large surface emissivity can effectively enhance heat dissipation and reduce the surface temperature of heat sink.

Key words:LED lights; fins; surface emissivity; thermal analysis

中图分类号：TK124

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0581-04

通讯作者简介：舒宏坤(1990-),男,在读硕士,浙江新昌人.主要研究方向为传热与流体流动.E-mail:

收稿日期：2015-03-15

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.017