大功率LED翅片式散热器结构设计与仿真

张海娟，谌琪，卢晨燕，邹勇

大功率LED翅片式散热器结构设计与仿真

张海娟1，谌琪2，卢晨燕2，邹勇2

（1. 安徽马鞍山工业学校 数控系，安徽 马鞍山 243000；2. 安徽工业大学 数理学院，安徽 马鞍山 243000）

利用Fluent软件对大功率LED的平行翅片散热器进行模拟，分别研究了基板尺寸、厚度及翅片高度、间隔、厚度对散热效果的影响．结果表明，增大基板尺寸、增大翅片高度、适当地降低翅片间距（增加翅片数量）和适当地减小翅片厚度均能有效增大散热面积，从而改善LED芯片散热，但前两者的改善作用都基于增大散热器体积，增加了成本，而后两者的取值不宜过小．通过仿真，优化得到了较为合适的散热器参数．

大功率LED；平行翅片散热器；散热器优化

为了降低LED的结温，仅改善LED的封装结构和封装材料来提升导热效率是不够的，还需要为LED设计外部散热装置来降低结温．近年来，随着LED更广泛地应用于日常生活，LED的功率越来越高，功率的提升对散热性能提出了更高的要求，越来越多的散热技术应用于散热器的制造中．目前，广泛应用的散热技术主要有：自然对流散热、强迫对流散热、液体冷却散热、热电制冷散热、热管散热等．

散热器的散热性能与其和空气接触的面积有关，又考虑到材料成本，所以在工业生产中一般采用翅片散热器，其中最常见的为铝及其合金或者铜材料制作的翅片散热器．翅片散热器的散热性能与翅片的高度、宽度、厚度等参数都有密切的关系[1]．对不同的大功率LED照明灯具的散热进行研究，结果发现，对散热器表面进行工艺处理[2]，合理选择散热器的材料[3-4]和优化散热器的结构设计[5-10]均能提高大功率LED灯具的散热效果．胡明钰[11]等采用极差分析法得出了不同散热器参数对片式COB光源结温的影响程度由大到小为：翅片片数、翅片高度、翅片长度、翅片厚度、翅片间距、基底厚度，对成本（散热器体积）的影响程度由大到小为：翅片片数、翅片长度、翅片厚度、基底厚度、翅片高度、翅片间距．

大功率的LED照明装置由于采用的是全铝热沉散热结构，主要是通过MCPCB板、铝基板、铝热沉肋基的热传导和铝热沉的热传导方式将热量散发到空气中来进行散热[12]．赵伟[13]等通过数值模拟对平行微细通道热沉进行研究，结果表明，通过通道错位排列导流的热沉具有较低的压降和热面平均温度．

王海民[14]等对比了高度、直径和间距分别为15，0.1，0.5 mm和15，1，5 mm的纯铜丝针肋散热器在相同边界条件的散热和流动阻力特性，分析发现前者散热性能高6%，但是后者通过增加丝径和扩大间距进行结构优化，阻力损失大幅降低，并且在工艺上也容易实现．本文对平行翅片散热器，运用数值模拟的方法对其散热特性进行研究，并对散热器的翅片进行优化设计，寻找合适的散热器结构参数，为散热器的实际应用提供参考．

1 平行翅片散热器模型

散热器模型由LED、基板和平行翅片构成，其结构见图1．LED热功耗为1 W．忽略LED的上表面和侧面的热量损失，LED产生的热量通过LED底面传入散热基板，基板和翅片所有表面与空气进行热交换，从而散热．将空气的自由对流换热系数设定为15 W/m2·K，LED的材料设为GaN，导热率为65.6 W/m·K，基板和翅片的材料均设定为铝，导热率为202.4 W/m·K．

图1 平行翅片散热器模型

2 数值模拟过程

在LED工作时，热量的传递有３种基本方式，即热传导、热对流和热辐射．本例中已经给定LED的热功耗，无需再考虑辐射传热，LED与散热器固体接触区域采用标准的共轭传热耦合模式求解[15]．计算中只涉及LED产生的热量在散热器中的热传导，导热过程中满足傅里叶定律．其能量方程为

散热器表面与周围空气通过自然对流交换的热量可以用牛顿冷却公式来计算

（2）

3 结果与分析

3.1 基板尺寸对LED芯片散热的影响

散热翅片采用厚度为1 mm，间隔1 mm，高度5 mm的平行翅片组．基板厚度为1 mm保持不变，基板表面为正方形，正方形的边长在7~25 mm范围变化．设计了9种不同尺寸的基板进行仿真．结果显示，当基板边长为7 mm时，散热器的热阻较大，导致LED的结温较高，此种散热器在实际生产中不宜采用．除该模型外，其他散热器的热阻较小，均能达到散热要求．

基板尺寸与热阻及散热器体积、面积之间的关系见图2．由图2可以发现，当基板边长小于15 mm时，热阻随基板尺寸的增加而大幅降低，之后再增加基板尺寸，热阻降低幅度减小．由图2表明，散热器的体积与散热面积近似同比增长．因此，增大基板尺寸的方式无法得到体积小而散热面积大的散热器．

3.2 基板厚度对LED芯片散热的影响

对基板边长为13 mm的模型，LED芯片结温还是比较高．保持基板面积不变，改变其厚度，其他参数都保持不变，研究基板厚度对散热的影响．

基板厚度与散热器体积、面积以及热阻的关系见图3．从图3可以发现，增大基板的厚度，较大程度上增加了散热器的体积，但散热面积没有明显的提升，散热器热阻无明显降低，对降低芯片结温效果不明显．因此，基于成本的考虑，增大基板厚度的方式不可行．

图2 基板尺寸与散热器体积、面积及热阻的关系

图3 基板厚度与散热器体积、面积及热阻的关系

3.3 翅片高度对LED芯片散热的影响

选择基板规格为15 mm×15 mm×1 mm，改变翅片高度，对翅片高度分别为3，4，5，6，7 mm的散热器进行建模分析，结果见图4．

由图4发现，随着翅片高度的等量增大，散热器体积和面积呈直线增加，但热阻降低的幅度却逐渐减小，即热阻的减少量逐渐变小．由此说明，散热翅片相对于散热器尺寸较小时，增大翅片高度能有效地降低散热器热阻，翅片高度越大，则翅片高度的增加对热阻的影响就越小．

翅片高度增大能增大散热面积，降低芯片结温，但同时散热器体积也随之增大．由图4可见，增大翅片高度将使散热器体积和散热面积同比增长．因此，增大翅片高度也无法得到体积小散热面积大的散热器．

3.4 翅片间距对LED芯片散热的影响

选择基板较大的散热器（基板尺寸25 mm×25 mm×1 mm）作为参考，翅片厚度为1 mm保持不变，模型的翅片间隔设为0.5，1.5，2，2.5，3 mm，对应翅片数分别为17，13，10，9，8，7个．

图4 翅片高度与散热器体积、面积及热阻的关系

图5 翅片间距与散热器体积、面积及热阻的关系

当翅片间距大于1.5 mm时，随着翅片间距的增大，散热器的体积与面积呈直线减小，而热阻增加的幅度逐渐变大，即热阻的增加量变大．说明适当减小翅片间距，增加翅片数量，对热阻的降低有较为明显的作用．

当翅片间距小于1.5 mm时，随着翅片间距的等量减小和翅片数量的增加，散热器体积与面积的增加幅度变大，即体积与面积的增加量变大，对应的热阻也迅速降低．但若一味降低翅片间距增加翅片数量，当翅片间距过小时，与空气接触部分的对流传热将会受影响，反而不能有效地降低散热器热阻．

3.5 翅片厚度对LED芯片散热的影响

同样选择基板尺寸为25 mm×25 mm×1 mm的散热器作为参考，并保持翅片间隔固定为1 mm，设计翅片的厚度为0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm，仿真结果见图6．

图6 翅片厚度与散热器体积、面积及热阻的关系

由图6可以发现，当翅片的厚度减小时，散热器体积减小，散热面积增大，对应热阻减小．由此得出，尽量减小翅片厚度能获得体积小散热面积大的散热器．由图6显示，随着翅片厚度的减小，散热面积增加幅度逐渐变大．当翅片厚度在2.0~1.0 mm之间时，热阻降低幅度最大，此后再减小翅片厚度，对热阻的影响将变小．综合分析，翅片厚度为1 mm最合适．

4 结论

本文利用Fluent对大功率LED的散热器进行模拟，系统研究了不同基板尺寸、厚度，翅片高度、间隔、厚度的散热效果．得到结论：

（1）增大基板尺寸（整体加大散热器体积）与增大翅片高度都能改善LED芯片散热，但其改善作用都是建立在增大散热器耗材的基础上．因此，在制造过程中要综合考虑这２项参数．基于分析得到，当基板尺寸小于15 mm时，热阻对基板尺寸的变化较为敏感；当翅片高度大于5 mm时，增大翅片高度对改善散热作用并不明显．

（2）增大基板厚度将大幅度地增大散热器耗材，且对降低芯片结温起很小的改善作用，得不偿失．因此，增大基板厚度无法得到散热面积大、体积小的理想散热器．而适当减小翅片厚度既能增大散热面积，又能减小体积，降低热阻，经数据分析得出，翅片最佳厚度为1 mm．

（3）减小翅片间距（增加翅片数量）将增加散热面积，从而有效地改善芯片散热，但翅片间距过小，又会影响对流传热，所以一味减小翅片间距增加翅片数量，并不能有效地降低散热器热阻．

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Structure design and simulation of fin radiator for high power LED

ZHANG Haijuan1，SHEN Qi2，LU Chenyan2，ZOU Yong2

（1. Department of Numerical Control，Anhui Ma′anshan Industry School，Ma′anshan 243000，China；2. School of Math and Physics，Anhui University of Technology，Ma′anshan 243000，China）

Fluent is used to simulate the parallel fin radiator of high-power LED. The influence of substrate size， thickness，fin height，spacing and thickness on the heat dissipation effect is studied. The results show that increasing substrate size，increasing the fin height，reducing fin spacing（increasing the number of fin）and reducing fin thickness can effectively increase the heat dissipation area，thereby improving LED chip cooling effect，but the former two are based on the increase of radiator volume and the cost，the value of others should not be too small. The optimized radiator parameters are obtained through simulation.

high power LED；radiator with parallel fin；radiator optimization

TK172

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.011

1007-9831（2020）03-0061-04

2019-09-20

安徽高校自然基金重点项目（KJ2018A0051）；安徽工业大学教学研究项目（2018jy41）；安徽工业大学省级大学生创新训练计划项目（201810360349，201810360351）

张海娟（1981-），女，安徽太和人，高级讲师，硕士，从事模具设计研究．E-mail：haijuandf@163.com

邹勇（1981-），男，安徽太和人，讲师，博士，从事电子设备散热设计研究．E-mail：zyay2004@163.com