LED路灯散热器散热性能的数值模拟

梁才航，杨永旺，何　壮

(1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林　541004;2.桂林航天工业学院 广西高校无人机遥测重点实验室，

广西 桂林　541004；3.北京理工雷科电子信息技术有限公司，北京　100081)



LED路灯散热器散热性能的数值模拟

梁才航1,2，杨永旺1,3，何壮1

(1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004;2.桂林航天工业学院 广西高校无人机遥测重点实验室，

广西 桂林541004；3.北京理工雷科电子信息技术有限公司，北京100081)

摘要：提高LED散热性能是提高LED可靠性的关键技术之一。利用数值模拟的方法对大功率LED路灯散热器进行散热性能的研究。运用Ansys Icepak软件研究了LED散热器的翅片高度、厚度、间距对LED结温的影响，结合金属热强度指标对各几何参数进优化。优化后的LED散热器翅片的质量减少39.76%，而LED的结温为61.33℃，仍然在正常工作温度范围内。

关键词：LED散热器；数值模拟；散热性能

引言

随着LED功率的提高，热流密度的增加，使其寿命缩短，甚至烧毁芯片[1]。研究LED灯散热器的散热性能并进行结构优化, 可大大减少它的传热热阻,提高LED灯的散热能力，对改善其散热条件和提高其可靠性意义重大。

在LED的结构优化研究中，Cheng-Hung Huang等[2]采用三维逆向工程优化一种10×10阵列散热器，将散热器的热阻降低了12.98%。Tae Hoon Kim等[3]通过体积平均方法预测自然对流垂直板翅式散热器的尺寸，研究了散热器的翅片厚度和翅片间距。Chien-Chang Wang等[4]用有限元数值方法对散热器的几何参数进行了优化。Karathanassis等[5]研究了层流流动的可变宽度的平板翅片散热器散热情况，结果证明可变宽度的翅片对散热性能有所提高。Daeseok Jang等[6]对针状翅片散热器的长度参数进行优化，使散热器的质量降低30%。Vítor A.F. Costa等[7]运用CFX研究了散热器的长度、宽度、高度对LED热阻和结温的影响，并进行了结构优化。徐婷婷等[8]运用Icepak软件对散热器的翅片高度、间距、数量和摆放方式进行了数值模拟，并分析了在真空中的散热性能要远差于大气环境中的散热性能。余桂英等[9]通过实验与仿真相结合的方法，采用ANSYS软件研究了LED射灯的热流功率、基座厚度、芯片间距、对流面积对散热性能的影响。结果表明, 对流面积是影响散热性能的最重要因素；对一定的散热器, 存在一个有效的最大芯片输入功率。

本文采用数值传热学分析方法分析大功率LED路灯散热器几何参数对散热性能的影响。在自然对流条件下，对LED翅片散热器进行分析，分析翅片的高度、厚度、间距对散热性能的影响，找出原始方案的不足，并提出了改进方案。

1建立模型

1.1　软件建模

应用Ansys Icepak软件进行建模，直接调用Heatsink模块建立散热器模型。Mcpcb分为三层包括Cu、Polymer、Al，分别用Block模块进行建模。LED芯片热源用Block模块建立热源。研究LED路灯的自然对流散热情况，将Cabinet六个面设置成Opening，并且Y+大于2L，Y-大于L，其余四个方向大于0.5L，L为模型的特征长度。打开辐射，设置重力方向，环境温度30℃。自然对流散热，Icepak根据公式(1)、(2)、(3)自动求解出瑞利数Ra=4.61×109和普朗特数Pr=0.7085，确定使用湍流Two-equation模型，Two-equation模型是Icepak中流动计算中应用最为广泛的湍流模型。对于自然对流的湍流流动其计算的鲁棒性、经济性以及适当的精确度使其在湍流流动与传热的仿真计算中效果良好。

(1)

(2)

(3)

式中：ν为流体运动黏度；a为流体的热扩散系数；g为重力加速度；β为热膨胀系数；L为特征尺寸；ΔT为流体与壁面温度差。

1.2　几何模型

LED路灯总功率180W，LED路灯散热器由5组等大的散热器构成，每组散热器下方有24个LED灯珠，每个LED灯珠的功率是1.5W，光电效率为20%，热功耗为1.5W×80%=1.2W，环境温度为30℃。5组散热器结构相同，所以对1组散热器进行分析即可得出结果，散热器几何尺寸，见表1。散热器几何模型，见图1。

表1　散热器几何尺寸

图1　散热器几何模型Fig.1　Heat sink geometric model

对散热器采用非结构化六面体划分网格如图2所示。网格划分element：151218，与element：101032网格计算结果温差2℃，与element：180569网格计算温差0.2℃，所以采用element：151218网格计算结果进行研究。图3为温度分布云图，从图中可知，结温为60.16℃。

图2　散热器模型的网格划分Fig.2　The mesh structure of the pin fin heat sink

图3　散热器模型温度云图Fig.3　Pin heat sink temperature picture

2讨论分析

2.1　实验验证

将LED接通电源，用K型热电偶连接安捷伦(Agilent 34970A)与散热器，进行实验验证，如图4所示。并且将实验与环境温差和仿真与环境温差做误差对比分析研究，见图5。从图5中可以看出，仿真误差在10%以内，说明仿真准确，可以指导实验研究。

图4　热电偶测温实验Fig.4　Thermocouple test experiment

图5　实验与仿真误差分析Fig.5　Comparison between experimental and simulation temperature

2.2　对散热器翅片高度的优化分析

原模型翅片高度为45 mm，模拟翅片高度为35 mm，40 mm，45 mm，50 mm，55 mm，60 mm，65 mm，70 mm，75 mm，80 mm的不同情况。比较了不同翅片高度对LED芯片结温和金属热强度的影响，如图6所示。

散热器翅片的高度发生了变化，即散热器的质量和面积发生了改变。由图6可以看出翅片高度在35 mm~65 mm阶段，结温下降较快，但是当翅片高度增长到65 mm以后，结温下降缓慢，此时再增加翅片的高度对于散热效果不是很明显。分析可知：翅片高度增加，有利于散热器的散热，并且翅片高度增加对翅片换热面积的增大效果比对换热系数的减小效果更显著[10]。翅片高度增加，耗材增加，经济性变差。

金属热强度是指金属散热器内热媒的平均温度与室内空气温度相差1℃时，每千克质量的金属单位时间所散出的热量。q值越大，说明散出同样的热量所耗用金属越少。这是衡量散热器节能和经济性的一个很重要的指标。

金属热强度方程：

(4)

式中q为散热器的金属热强度；Q为散热器的散热量；ΔT为温差；G为散热器的质量。

从图6中可以看出，随着翅片高度增加，金属热强度逐渐下降，从另外一个角度也说明了并不是翅片的高度越高，散热器性能就越好。由此推断，必然存在某一高度值，使得翅片结构的散热性和经济性匹配的最好。

图6　不同翅片高度的芯片结温和金属热强度Fig.6　Different fin height of junction temperature and metal thermal intensity

2.3　对散热器翅片厚度的优化分析

原模型翅片厚度为0.83 mm，模拟翅片的厚度为0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm的不同情况。比较了不同翅片厚度对LED芯片结温和金属热强度的影响，如图7所示。

图7　不同翅片厚度的芯片结温和金属热强度Fig.7　Different fin thickness of junction temperature and metal thermal intensity

保证散热器的翅片数量不变，改变翅片的厚度。由图7可以看出，随着翅片厚度的增加，厚度从0.5 mm~2 mm阶段结温下降，2 mm以后结温上升，当翅片厚度为2 mm时，结温最低。因为随着翅片厚度增加，翅片效率ηf增加，换热量增加，直到随着厚度增加影响到了间距对散热要求的影响时，结温会逐渐上升，翅片效率ηf减小，换热量减小。如图7中所示，在翅片厚度达到3.5 mm时，翅片间距为8.9 mm，此时再持续增加翅片厚度，必然会导致对流换热系数下降，结温上升。由图7可以看出，随着翅片厚度增加，散热器质量增加，金属热强度逐渐下降。由此得出，在翅片厚度增加的过程中，会存在一个最佳的厚度达到最佳的降温效果。

2.4　对散热器翅片间距的优化分析

原模型间距11.7 mm，模拟翅片间距2 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm，11 mm，12 mm，13 mm，14 mm，15 mm，16 mm的不同情况。比较了不同翅片间距对LED结温和金属热强度的影响，如图8所示。

图8　不同翅片间距的芯片结温和金属热强度Fig.8　Different fin space of junction temperature and metal thermal intensity

散热器翅片间距发生了变化，即散热器的质量和对流换热面积发生了改变。由图8可以看出随着翅片间距增加，翅片间距在2 mm~6 mm阶段结温下降，在6 mm之后结温上升。随着翅片间距增加，金属热强度逐渐上升。随着翅片间距的增大，空气流道变宽，浮升力相对增大，翅片间气体流动顺畅，湍流流动强度增强，格拉晓夫数变大，有利于翅片的对流换热，使得结温随着翅片间距的增大而降低[10]。但是，当翅片间距增大到6 mm以后，随着翅片间距的增加，换热表面积减小的不利影响越来越大，超过了间距的增加对翅片对流换热的作用，使结温呈现回升趋势。表明翅片存在一间距值，使得翅片的散热性能最好。

3结论

1)通过计算得出，Ra=4.61×109，Pr=0.7085，对散热器模型采用湍流Two-equation方程模型求解，得出LED结温为60.16℃，金属热强度为2.05W/(kg·℃)。

2)通过分析散热器的翅片高度、厚度、间距对LED结温和金属热强度的影响。可知，翅片高度低于65 mm，结温下降较快，翅片高度高于65 mm，结温下降缓慢；翅片厚度小于2 mm，结温呈下降趋势，翅片厚度大于2 mm，结温逐渐上升；翅片间距小于6 mm结温下降，翅片间距大于6 mm结温逐渐上升。当高度为65 mm，厚度为2 mm，间距为6 mm时，温差最小，散热性能最好，且具有良好的金属热强度。

3)考虑到散热器对LED芯片结温和金属热强度的影响，在保证可靠性的前提下，尽量降低散热器质量的原则，以体现经济型和节能。采取翅片厚度0.5 mm，翅片高度为45 mm，间距为8 mm，得出结温61.33℃，温升1.2℃，但是在灯具的可靠温度范围内，散热器翅片的质量降低了39.76%。

参考文献

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[10] 樊鹏.一种LED热沉的流动传热性能及结构优化[D].北京:华北电力大学，2012.

《节能照明光源新进展》新书出版

由复旦大学电光源研究所陈育明教授和陈大华教授编著的《节能照明光源新进展》一书，于2016年1月，由安微科学技术出版社正式出版，书号：ISBN978-7-5337-6846-1，全书391页60万字，定价98元。

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公共照明节能评价标准研讨会在邯郸召开

2016年1月8日至9日，由中国节能协会、中国标准化研究院资源与环境分院、邯郸经济技术开发区主办的“公共照明节能效果应用评价指南标准工作组研讨会”在邯郸市召开。国家发改委环资司、国家节能中心、省市发改委等领导及行业专家等近100位代表参加了会议。

会上，与会人员参观了邯郸市道路照明及标准试验示范路，并就道路照明工程效果及节能评价技术要求、照明系统能效评估平台建设、第三方监测机构作用等进行了细致的讨论，提出中肯的意见和建议。工作组将结合本次研讨会结果，尽快修改完善公共照明节能效果应用评价标准体系。

Numerical Simulation of LED Street Light Heat Sink

Liang Caihang1，2， Yang Yongwang1，3， He Zhuang1

(1.SchoolofMechano-ElectronicEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China；

2.GuilinUniversityofAerospaceTechnology,Guilin541004,China; 3.RACOBITCo.Ltd.,Beijing100081,China)

Abstract：Increased thermal performance of LED is very important to improve the reliability of LED. In the present work, thermal performances of LED heat sink are conducted using numerical simulation. Effect of the fin height, fin thickness and fin space on LED junction temperature are investigated. The geometry parameters are optimized with the metal thermal intensity. The optimal results show that the total weight of the LED heat sink fin reduced up to 39.76%. the LED junction temperature is still at 61.33℃.

Key words:LED heat sink; numerical simulation; thermal performance

通讯作者：梁才航，E-mail：lianghang@guet.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(No.51566002)；广西信息科学实验中心课题(No.20130315)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题(No.13-051-09-008Z)；桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(No.GDYCSZ201402);广西高校无人机遥测重点实验室开放课题(No.201550625)

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.023