基于烟囱效应的LED太阳花与梳状散热器对比

唐 帆，郭震宁



基于烟囱效应的LED太阳花与梳状散热器对比

唐 帆，郭震宁

（华侨大学 信息科学与工程学院福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 361021）

为了提高LED的散热性能，基于烟囱效应原理，对比了LED梳状散热器和太阳花散热器的散热效果。通过Solidworks建立实体模型，通过其插件Flow Simulation对建立的模型进行热仿真。在保持散热器质量不变的前提下，研究了不同烟囱高度对配备梳状散热器和太阳花散热器的LED芯片最高温度的影响。并对烟囱高度为40 mm的太阳花散热器进行了实验验证，经实验测量，此时LED芯片的最高温度为81 ℃，与模拟结果只相差1.28 ℃，证实了模拟的正确性。仿真表明：在烟囱效应下，LED太阳花散热器的散热效果要强于梳状散热器，并且当烟囱高度大于45 mm时，二者的温度差随着烟囱高度的增加不断扩大。

散热；散热器；烟囱效应；最高温度；仿真；LED芯片

作为新一代照明光源的LED，由于具有节能、体积小、寿命长、环保等优点，目前已被用于建筑照明、景观照明、舞台照明等领域。但是，由于技术的限制，LED目前的光电转换效率很低，大部分能量转化成热量，使LED工作时的温度升高。温度的升高不仅会降低LED的发光效率，还会使其寿命缩短[1]。因此，为了使LED快速发展，迫切需要解决其散热困难的问题[2]。

国内外许多学者针对加强LED散热这个问题，进行了相关研究。如钱斐等[3]提出了一种新型的板上芯片直装式散热基板与散热翅片的钎焊技术，这种钎焊连接可以有效提高大功率LED的散热性能。宋国华等[4]在传统直插式LED封装方法的基础上，提出了一种在环氧树脂中添加氮化硼填料的改进LED封装工艺，这种工艺不仅降低了LED的工作温度，而且同时提高了光通量，降低了光衰。王永翔等[5]对采用多孔微热沉的大功率LED阵列主动散热方案进行散热分析，研究结果表明多孔微热沉系统可以有效解决大功率LED阵列散热问题。王志斌等[6]提出了一种基于螺旋扁管的大功率发光二极管阵列水冷散热结构，通过仿真分析，得出这种散热结构具有很好的换热能力。研究表明，通过加入烟囱结构与LED散热器，可以在散热器中产生烟囱效应[7]，从而提高散热器的散热能力。

本文基于烟囱效应原理，通过软件Solidworks构建三维模型，利用其插件Flow Simulation进行热仿真。分别在梳状散热器和太阳花散热器的设计中加入相同的直筒式烟囱结构，避免了气体在具有传统烟囱结构的散热器内流动产生涡流，使空气流动受阻[8]。在保证二者质量一样的前提下，对它们的散热能力进行对比。

1 理论基础与模型建立

1.1 理论基础

LED器件的总热阻[9]为：

=cs+jc+sa(1)

式中：cs为导热硅胶和基板的热阻；jc为LED光源热阻；sa为散热器的热阻。

由于风冷散热器的辐射散热量很低，所以不考虑其辐射传热热阻，从而，散热器的热阻sa为：

sa=k+j(2)

式中：k为散热器与空气的对流换热热阻；j为散热器自身的导热热阻。

根据热阻计算公式：

式中：为LED芯片最高温度；∞为环境温度；为芯片热功率。

联立式(1)~(3)得到：

要求LED芯片工作时的最高温度小于85 ℃[10]，∞为环境温度，根据LED芯片的输入功率和其光电转换效率，可得到LED芯片热功率，根据各厂家生产方式和材料的不同jc和cs的值有明显差异，但可以在各厂家的产品手册中查出，为定值。当散热器自身结构和材料确定时，j也为定值。将上述各值代入公式(4)可以计算出k。k和散热器表面积与对流换热系数有关：

式中：为散热器表面积大小；为对流换热系数。

为了使LED工作温度低于85 ℃，需要散热器有足够的表面积，增大则需要增大散热器的质量。散热器质量的增加，则其生产成本增加。根据式(5)，当k确定时，与成反比，烟囱效应可以有效加快散热器表面的气体流动速度，从而增大，减小，减轻散热器质量。

1.2 模型建立

分别对带有烟囱结构的梳状散热器和太阳花散热器进行了设计，如图1所示。二者的截面积和最大直径相同，其中截面积都为356.62 mm2。基板的厚度为2 mm。设置LED芯片为直径2 mm，高度1 mm的圆柱，数量为4个，在基板上呈圆周分布。

（a）梳状散热器

（b）太阳花散热器

（c）太阳花散热器俯视图（单位：mm）

图1 不同结构散热器

Fig.1 Different structure of radiator

工作时，LED芯片产生热量，周围空气吸收热量，温度升高密度减小，与烟囱通道上面的空气产生密度差，产生向上的浮力，进而上升，并沿着烟囱通道向上流动排出，由于产生负压，新的空气又流入烟囱通道，形成烟囱效应，加快散热器附近的空气流动，增强自然对流散热，提高散热器的散热能力。

2 热仿真

将已构建的散热器模型代入Flow Simulation，进行热仿真。散热器采用挤压铝6061，热导率为236 W/(m·K)。基板采用铝基板，横向热导率为100 W/(m·K)，纵向热导率为2 W/(m·K)。设置LED芯片为体积热源，输入功率为5 W，发光效率取20%，则产热功率为4 W。设置环境温度为20 ℃，初始网格精度为4，设置模型整体为精度8的局部初始网格。

通过保持梳状散热器和太阳花散热器的截面积相同，使二者在高度相同的情况下质量相等。然后通过改变散热器的高度，研究在烟囱效应下，烟囱高度不同时，梳状散热器和太阳花散热器散热效果的对比。

3 仿真结果和讨论

烟囱高度取值25~60 mm，利用软件模拟出了不同烟囱高度下两种散热器LED芯片最高温度的变化。8种烟囱高度的模拟计算结果如图2所示。

如图2所示，在质量相同的条件下，在烟囱高度所取范围内，选用太阳花散热器的LED芯片最高温度都要低于选用梳状散热器的LED芯片最高温度。在烟囱高度变化范围为25到45 mm时，随着烟囱高度的增加，二者的温度差不断减小，由3.67 ℃降低至1.97 ℃。当烟囱高度继续增加，直到60 mm，二者的温差又不断变大，增加至4.01 ℃。由此可见，在烟囱效应下，质量相同的太阳花散热器比梳状散热器的散热效果更好。分析出现这种现象的原因在于：相同烟囱高度的太阳花散热器比梳状散热器具有更大的表面积，当烟囱高度为40 mm时，太阳花散热器的表面积为272.87 cm2，而梳状散热器的表面积仅为257.17 cm2。根据牛顿冷却定律：

=D(6)

式中：为散热功率；为物体表面的对流换热系数；为物体散热表面积；D为物体表面温度与环境温度差值。

可以看出，当对流换热系数不变时，散热表面积的增加，可以增加对流传热带走的热量，从而使LED芯片的最高温度降低。

随着烟囱高度的变化，选用两种散热器的LED芯片最高温度的变化趋势相同。当烟囱高度变化范围为25~40 mm时，二者的温度都呈快速下降趋势，并在烟囱高度为40 mm时，达到最低。当烟囱高度继续增加，二者的温度反而上升。分析出现这种现象的原因在于：烟囱高度在40 mm以下时，随着烟囱高度增高，烟囱效应的强度不断增强，从而使散热器的散热能力不断增强，使LED芯片的最高温度降低。当烟囱高度超过40 mm时，空气会在烟囱通道内产生回流现象[11]，导致热量不能及时排出，在散热器内滞留，也影响了新的冷空气继续进入散热器，不能形成快速、畅通的空气流动，反而削弱了烟囱效应的强度，降低了散热效果。

从图3可以看出，散热器的质量随烟囱高度的增加，呈直线上升趋势，在高度相同时，质量相同。

在烟囱高度为40 mm时，两种散热器的空气速度流动迹线和温度场分布分别如图4、图5所示。

如图4所示，LED芯片工作产生热量，使周围的空气温度升高，产生温度差，进而提供空气上升的浮力，空气进入烟囱通道并顺着通道向上排出，带走热量，提高散热器的散热性能。并且，两种散热器周围的空气流速基本相同。由图5可见，工作时的最高温度都出现在LED芯片处，热量从LED芯片传导到铝基板上，并继续传递给散热器。在散热器质量相同的条件下，配备太阳花散热器的芯片的最高温度为79.72 ℃，要比配备梳状散热器的芯片的最高温度82.26 ℃低2.54 ℃。可以看出，在烟囱效应下，太阳花散热器要比梳状散热器的散热效果更好。

4 实验验证

为证实以上研究的正确性，对烟囱高度为40 mm的太阳花散热器进行实验测量，整个系统由一台兆信PS-3003D直流电源供应器和两个TM-902C温度测试仪组成。温度测试点布置在LED芯片上和基板表面，环境温度用空调控制在20 ℃。经实验测量，得到最高温度81 ℃出现在LED芯片处，与仿真结果相差1.28 ℃，误差仅为1.6%，证实了仿真的正确性。图6为LED太阳花散热器的实物照片。

（a）梳状散热器

（b）太阳花散热器

图4 速度流动迹线分布

Fig.4 Direction of speed flow trace

（a）梳状散热器

（b）太阳花散热器

图5 温度场分布图

Fig.5 Distribution of temperature field

（a）俯视图

（b）侧视图

图6 太阳花散热器

Fig.6 Sunflower radiator

5 结论

基于烟囱效应，对比了LED梳状散热器和太阳花散热器的散热效果。通过保证两种散热器的截面积都为356.62 mm2，使在同等烟囱高度下，二者的质量相同。然后通过软件模拟计算，得出在烟囱高度为25~60 mm时，配备两种散热器的LED芯片的最高温度。通过对比，得出结论：在烟囱效应下，LED太阳花散热器的散热效果要强于梳状散热器。当烟囱高度为40 mm时，两种散热器均达到最佳散热效果，其中配备太阳花散热器的LED芯片最高温度为79.72 ℃。并且当烟囱高度大于45 mm时，二者的温度差随着烟囱高度的增加不断扩大。并对烟囱高度为40 mm的太阳花散热器进行了实验验证，经实际测量，此时LED芯片的最高温度为81 ℃，与模拟结果只相差1.28 ℃，证实了仿真的正确性。

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Contrast comb radiator and sunflower radiator for LED using chimney effect

TANG Fan, GUO Zhenning

(Key Laboratory of Light Propagation and Transformation of Fujian Province, School of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, Fujian Province, China)

In order to improve the heat dissipation performance of LED, a comparison based on the principle of the chimney effect is made between comb radiator (CR) and sunflower radiator (SR). An entity model was built by adopting ‘Solidworks’, and simulated by its plug-in ‘Flow Simulation’. The influence of the height of the chimneys (HC) on the maximum operating temperature of the LED chip for both CR and SR keeping their mass constant was studied. In the experiment, the highest operating temperature of the LED chip for SR with a HC of 40 mm is 81 ℃ which is only 1.28 ℃ higher than the simulation result, proving the validity of the simulation. The simulation demonstrates that SR has a better performance in heat dissipation than CR, and their maximum operating temperature difference increases with HC when the HC is higher than 45 mm.

cooling; radiator; chimney effect; highest temperature; simulation; LED chip

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.005

TN312

A

1001-2028（2016）09-0024-05

2016-06-02 通讯作者：郭震宁

福建省科技计划引导性重点项目（No. 2016H0022）；华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目（No. 1400201001）

郭震宁（1958－），男，福建莆田人，教授，主要从事半导体发光器件与LED散热方面研究，E-mail:znguo@hqu.edu.cn；唐帆（1990－），男，黑龙江哈尔滨人，研究生，研究方向为LED散热，E-mail: 304462588@qq.com 。

网络出版时间：2016-09-02 11:05:01 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1105.008.html

（编辑：曾革）