LED太阳花散热器正交试验模拟优化设计

李　灏，钱新明，陈　威

(爆炸科学与技术国家重点实验室，北京理工大学，北京　100081)



LED太阳花散热器正交试验模拟优化设计

李灏，钱新明，陈威

(爆炸科学与技术国家重点实验室，北京理工大学，北京100081)

摘要：利用仿真软件ICEPAK对一款大功率LED太阳花散热器进行了热仿真模拟。实验数据曲线和模拟结果曲线的相似度分析结果表明利用ICEPAK进行太阳花散热器热仿真模拟的可行性。为了提高太阳花散热器的散热效率以及控制散热器重量，使用正交试验法对太阳花散热器进行模拟优化设计，从散热器圆柱半径、热沉高度、翅片厚度、翅片数量、翅片长度等5个方面考察了太阳花散热器的尺寸参数对散热器重量与LED最高温度的影响。得到了一个散热效率最优化结果，优化后LED的最高温度较优化前下降了11℃，重量基本不变。

关键词：散热器；正交试验；优化设计；模拟

引言

相对于其他照明方式，LED照明具有明显的优势：体积小、功耗低、绿色环保、使用寿命长、安全、竖固耐用，其在照明领域得到了很大的应用[1]。但是随着尺寸的减小以及功率的大幅提高，导致LED 结温居高不下，引起了光强降低、光谱偏移、色温升高、热应力增高、元器件加速老化等一系列问题，大大降低了 LED 的使用寿命[2]。对于大功率LED芯片来说，一般超过80%的输入功率被转化为热能，其余部分被转化为光能[3]。而半导体元件温度的上升会造成其可靠性和安全性的下降[4]。研究显示，电子器件的故障率随元件温度的升高呈指数关系增加，器件温度在70℃～80℃水平上每增加1℃，可靠性下降5%[5]。目前，LED热管理广泛采用的技术是利用外部散热器散热。LED主要散热部件的散热器在散热能力与散热成本上的合理配置，是散热设计的首要目标。散热设计是保证LED照明灯具散热能力的首要保障措施。常见的大功率LED散热器分为直肋式和太阳花式。杨桂婷[6]对直肋式散热器的翅片长度、宽度和数量对散热器温度的影响进行了模拟仿真。梁融[7]在对LED 肋片散热器结构数值分析基础上，提出了开缝对散热器的影响。刘静[8]利用ICEPAK软件对大功率LED路灯进行建模仿真，研究了肋间距、肋厚度、换热面积等结构的优化。应用ICEPAK对太阳花结构进行热模拟研究较少。本文将正交试验设计方法用于太阳花散热器的优化设计，通过ICEPAK仿真模拟，考察了太阳花散热器各项尺寸参数对给定功率的芯片达到稳态时散热器温度的影响，获得了优化尺寸参数组合。提高了太阳花散热器的散热效率。

1太阳花散热器实验测量及仿真建模

选用一款60W的LED太阳花散热器作为研究对象。首先利用对太阳花散热器的实物测量和模拟对比，验证模拟的可靠性。太阳花散热器的实物与Solidworks模型如图1所示。图1(b)中由上至下有3部分，分别为LED基板、导热硅脂和热沉，热沉内部称为圆柱，外部称为翅片。热沉的材料为铝。芯片采用COB封装大功率LED，其总功率为60W，散热器模型的结构和材料参数如表1所示。利用红外热像仪进行温度测量，实验时室温为25℃。

表1　太阳花散热器的结构和材料参数

图1　太阳花散热器实物与仿真模型Fig.1　Physical and simulation model of sunflower radiator

COB芯片不断产生热量， 导热硅脂和散热器进行热传导，太阳花翅片与周围空气发生自然对流换热。因此，近似地把问题看作是三维、稳态、常物性、有内热源的导热和对流换热的耦合问题。在计算过程中由温差引起的辐射换热忽略不计，由于温差而引起的浮生力作用， ICEPAK在计算中引入了Boussinesq假设[9]：①流体中的粘性耗散项忽略不计；②除密度外其他物性皆为常数；③密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度作常数处理。计算区域采用有限容积法在同位网格上进行控制方程的离散，k-ε双方程模型求解。压力、动量和能量方程中的对流项均采用二阶迎风格式。控制方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在Solidworks中进行散热器建模，为了建模及划分网格的可靠性，删除了定位孔及对波浪形翅片进行了简化。将模型导入ICEPAK中进行模拟仿真，根据所采用的LED规格设定LED的光电转换效率η为20%，即散热器功率为48W，采用面光源。电源为外置电源，因此在散热建模仿真时电源发热量不计入散热器功率中。环境温度为温度测量时的25℃，基座与实验台接触的面为绝热且气流不能穿过的平面，另外5个面为opening。实验与模拟结果的对比如图2所示。利用Matlab的corrcoef函数进行相关性分析，相关系数在0到1 范围内，越接近1，说明两条曲线的相似度越高，对稳态下实验数据曲线和模拟结果曲线分析得到相似度结果为0.9746。这表明了利用ICEPAK进行太阳花散热器热仿真模拟的可行性。

图2　60W太阳花实验与模拟温度对比Fig.2　Comparison of experimental result with simulation result for 60W sunflower radiator

2太阳花散热器正交试验优化设计

2.1正交试验法

正交试验设计法具有完成试验要求所需的实验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法等优点[10]。

将正交试验优化法引用到太阳花散热器设计中，可优化LED太阳花散热器结构，提高散热能力，控制散热器的质量。其主要方法是对散热器进行结构优化设计，确定各相关尺寸因素的最佳参数组合，综合考虑散热效果和散热器重量。

2.2　太阳花散热器正交试验优化设计

选定太阳花散热器5个关键影响参数，分别为A:圆柱半径、B:热沉高度、C:翅片长度、D:翅片厚度、E:翅片数度。每个影响参数有五个水平值。根据影响参数和水平值选用L25(56)的正交试验表来安排模拟仿真，正交试验表如表2所示。按照表2中的实验数据分别进行建模仿真，得出参数在不同水平组合下的LED最高温度(Tmax)及散热器重量(G)。

表2　太阳花散热器正交试验设计安排

整理后得出各个关键参数对应的温度和质量极差及其变化曲线图，如图2~图6。通过对图2~图6的分析得出，翅片长度和圆柱直径对温度的影响最高，而翅片厚度对温度的影响最小，各参数影响顺序依次是A>C>B>D>E；而圆柱半径对重量的影响最大，翅片厚度对重量的影响最小，各参数影响顺序依次是A>B>D>E>C。由极差分析结果可知，圆柱半径的大小对散热器最高温度和散热器重量来说都是影响最大的因素。

图2　圆柱半径与LED最高温度和散热器重量的关系Fig.2　Effect of cylindrical radius on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

图3　热沉高度与LED最高温度和散热器重量的关系Fig.3　Effect of radiator height on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

图4　翅片长度与LED最高温度和散热器重量的关系Fig.4　Effect of fin thickness on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

图5　翅片厚度与LED最高温度和散热器重量的关系Fig.5　Effect of fin thickness on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

图6　翅片数量与LED最高温度和散热器重量的关系Fig.6　Effect of the number of fins on the maximum temperature of LED and the weight of radiator

对流换热能力与对流换热系数及换热面积有关。随着圆柱半径的增加，散热器温度呈下降趋势，但是下降趋势放缓。圆柱半径过小，导致翅片根部间距小，影响空气流动，随着半径增加，空气流动速度在增大，但是继续增加半径会造成热阻增大。增加翅片长度是有效增加对流换热面积的方式，过长的翅片会造成翅片根部的空气流速减小，同时造成热阻增大。增加热沉高度也是增加对流换热面积，但高度增加到一定程度散热器会出现明显的温度差，下端的散热器温度较低。增加翅片数量和增加翅片厚度对温度影响较小，一味增加翅片数量或者厚度反而会削弱翅片间的空气流速，进而减小传热系数。

图7　优化前仿真结果Fig.7　Simulation results before the optimization

图8　优化后仿真结果Fig.8　Simulation results after the optimization

根据优化试验结果综合考虑，选定散热器结构参数组合为A3C4B4D2E2。图7和图8是优化前后，散热器模拟温度的对比图。优化前的模型尺寸为：圆柱半径40mm、翅片长度40mm、热沉高度65mm、翅片厚度2mm、翅片数量36；优化后的模型尺寸为圆柱半径40mm、翅片长度45mm、热沉高度75mm、翅片厚度1.6mm、翅片数量32。通过仿真模拟得出其优化后散热器最高温度为64℃，散热性能大幅提升。优化后的LED最高温度下降11℃。优化后的散热器重量为1390g，与优化前的1397g相比略微下降。

3结论

本文通过对实验数据曲线和模拟结果曲线的相似度分析，表明了ICEPAK应用于太阳花散热器热模拟的可行性。应用正交试验结合ICEPAK对一款常用的60W太阳花散热器尺寸(圆柱半径40mm、翅片长度40mm、热沉高度65mm、翅片厚度2mm、翅片数量36)进行了模拟优化设计，在维持散热器重量基本不变的基础上，优化后的太阳花散热器(圆

柱半径40mm、翅片长度45mm、热沉高度75mm、翅片厚度1.6mm、翅片数量32)能将LED芯片稳态温度较优化前降低11℃，显著提高了太阳花散热器的散热效率。

参考文献

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Optimum Design of LED Sunflower Radiator Based

on Orthogmal Experiment

Li Hao，Qian Xinming，Chen Wei

(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract：Thermal simulation of a large power LED sunflower radiator was carried out by using simulation software ICEPAK. Comparing the experimental data curves with simulation results, it is feasible to simulate the thermal behavior of sunflower radiator by using ICEPAK. In order to improve the heat dissipation efficiency of sunflower radiator and control the weight of the radiator, using the orthogonal test method to optimize the design of the radiator. The influence of 5 factors, such as cylindrical radius, heat sink height, fin thickness, fin number and fin length, is analyzed. An optimized result is obtained, which is the maximum temperature of LED decreased by 11 degree centigrade, with the weight unchanging.

Key words:radiator; orthogonal experiment; optimum design; simulation

通讯作者：钱新明，E-mail:qsemon@bit.edu.cn

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.022