大功率LED灯干冰喷射散热数值分析

宁静红 王宁霞 刘茂

摘 要：【目的】解决大功率LED灯具高效散热问题。【方法】以干冰为冷却介质，设计出干冰喷射散热器，通过COMSOL软件研究干冰喷射对功率为300 W LED灯的散热特性。【结果】仿真试验结果表明，增大干冰流量能明显改善传热效果，流量由7.85 mL/s增至23.55 mL/s，散热器相同位置处干冰固相分数由0.04增至0.34。增大干冰流速可显著降低基板表面温度，流速由0.1 m/s增至0.3 m/s，温度约降低26.4%，且随着流速增大，降温效果逐渐减弱。【结论】与自然对流和水微喷射阵列冷却方式相比，以干冰为冷却介质的基板表面温度分别降低44.71％和23.44％；与单相射流方式相比，温度降低24.1％。干冰喷射冷却效果明显提升，温度更加均匀。

关键词：大功率LED；干冰；喷射升华；散热器；数值模擬

中图分类号：TK172               文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）08-0031-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.007

Numerical Analysis on Heat Dissipation Characteristics of Dry Ice Spraying High-Power LED Lamps

NING Jinghong WANG Ningxia LIU Mao

（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve problem of low-efficiency heat dissipation of high-power LED lamps. [Methods] A dry ice cooling radiator was designed for the efficient heat dissipation of high-power LED lamps， and the heat dissipation characteristics of 300 W LED lamps were simulated by COMSOL software. [Findings] The increase of dry ice volume flow significantly improves the heat dissipation， when the volume flow increases from 7.85 mL/s to 23.55 mL/s， the dry ice solid fraction at the same position of the radiator increases from 0.04 to 0.34. The increase of dry ice flow rate can reduce the substrate surface temperature， when the flow rate increases from 0.1 m/s to 0.3 m/s the temperature decreases by about 26.4%， and the cooling effect gradually weakens with the increase of flow rate. [Conclusions] Compared with natural convection method and water micro jet array cooling system， the substrate surface temperature reduced by 44.71% and 23.44% respectively; compared with the single-phase jet mode， temperature reduced by 24.1%. The dry ice cooling radiator performs well and makes more uniform temperature.

Keywords： high-power LED; dry ice; spray sublimation; heat sink; numerical simulation

0 引言

基于固态照明（SSL）技术的发光二极管（LED）是近年来最具发展前景的新型冷光源［1］，因其具有光效高、体积小、光谱窄、开关时间短、寿命长等良好特性［2］，在家庭和工商业中被广泛应用，成为目前最具竞争力的照明光源［3］。然而，LED的电光转换效率不到30％，超过70％的能量转换成热能，若热能不及时散失，将导致LED结温迅速升高，对其光学特性、寿命及颜色稳定性均会产生很大影响［4-5］。集成芯片阵列的LED灯具有多个热单元，热源之间的热耦合效应明显，单位体积内的功耗较大，若LED灯的P-N结温度超过123 ℃，LED灯将无法正常工作［6］，降低LED灯结温是亟待解决的关键问题。

在紧凑型LED阵列冷却设计中，以空气为工作流体的自然对流和强制对流方式无法在所需的安全工作温度下提供热管理。近年来，有学者对优化大功率LED灯散热器进行大量研究，并取得一定进展。唐帆等［7］验证了开缝交错设计能明显增强LED散热器的对流散热性能。刘维茜等［8］通过对换热器结构进行优化，优化后的LED最高温度较优化前略有降低，满足散热性能条件下材料的替换，降低工艺成本，简化制造工艺，实现节能环保。吕北轩等［9］创新性地提出基于多目标遗传算法的大功率LED工矿灯结构优化，优化后的新型散热结构性能显著提升，工矿灯结温降低16.46％，优化效果显著，但仍迫切需要设计出更高效的大功率电子器件降温系统。有学者对喷雾冷却进行研究，并验证了喷雾冷却的可行性［10-11］。Oliveira等［12］设计出基于常规制冷循环的喷雾冷却系统，通过微型喷嘴将液态制冷剂喷射在加热块表面上，冷却效果良好，但表面温度的均匀性无法得到保障。Hsieh等［13］提出一种以去离子水为工作流体的基于微喷雾的冷却系统，可冷却多个功率为5 W的LED阵列，使用单个喷嘴喷雾冷却获得的最高传热系数为9 375 W/（m2·℃），极大提高散热效果。Gatapova等［14］研究不同液体射流方式对LED阵列降温产生的效果，该系统可将热流密度为125 W/cm2的模块表面温度保持在70 ℃以下，冷却能力有限。

干冰是固态二氧化碳，作为一种自然工质，其熔点为-78.5 ℃、沸点为-56.6 ℃，相变潜热很高。吕平等［15-16］学者对干冰清洁技术进行研究，但低温下干冰的物理特性常被忽略，其可用于大功率电子器件冷却系统中。Li等［17］设计出一种开放式干冰喷射冷却芯片系统，为进一步研究干冰喷雾冷却大功率电子器件提供参考。宁静红等［18-19］提出使用干冰喷雾对高热通量芯片进行散热，在确定散热器最佳针柱尺寸和形状的基础上，对干冰喷雾的低温热力参数和散热器结构尺寸进行优化。研究结果证明，该方法能很好地结合相变传热和射流冲击传热，冷却效果显著提升，干冰冷却后的芯片整体温度分布更加均匀，将CPU芯片的温度有效维持在较低水平。

为解决大功率LED灯高效散热问题，以干冰为冷却介质，设计了干冰散热器，模拟干冰喷射冷却过程散热器内速度场和温度场，以入口速度和干冰流量为优化变量，分析散热器内固相分数及LED表面温度分布，并与自然对流和水微喷射阵列的冷却方式进行对比，旨在提高散热器工作效率，保证LED灯能稳定安全运行，研究结果有助于干冰喷射冷却LED灯的推广应用。

1 干冰散热器模型

1.1 物理模型

LED阵列产生的热量会以热传导方式传递到PCB铝基板，铝基板上的热量通过导热胶传递到散热器，降温减压后的干冰喷入散热器，干冰升华会带走大量热量，有效降低LED阵列的温度。为更好研究干冰喷射散热器的散热特性，本研究以圆盘LED灯为例，经查阅文献后可知，散热器为圆筒形结构，由干冰入口、散热器外壳、流体出口、散热器底座、PCB铝基板组成，外径为50 mm、高度为50 mm、厚度为5 mm，内部正三角交错排布213根直径2 mm的圆柱形针柱，干冰散热器的外观如图1所示，所用材料参数见表1。

1.2 网格划分

网格类型为用户控制网格，针柱和铝基板采用细化网格，校准为普通物理，干冰进出口及散热器内部校准为流体动力学，网格采用较细化网格，选择生成边界层网格，边角处添加角细化，用来减小尖角处的元素大小，剩余网格采用四面体网格，以确保获得更准确的计算结果。质量测量为偏斜度时网格最小单元为0.192、平均单元质量为0.653 3、单元体积比为0.000 546 7。

1.3 控制方程与参数设置

由于LED灯的热点集中，可采用射流方法冲击喷射表面。射流撞击壁面会破坏边界层，适用于强化局部点的传热。为获得LED表面温度和热通量分布，利用有限元方法（COMSOL Multiphysics 5.5软件）对LED灯铝基板进行热分析。

干冰具有很大升华潜能，将干冰喷入散热器后，其会迅速吸热，升华为二氧化碳，冲击射流结合针柱间扰流，带走大量热。为简化计算，将干冰喷雾近似为流体，干冰喷雾喷出后温度为-78.5 ℃［20］。在数值模拟中，采用非等温场耦合流动和传热过程，在不影响仿真分析结果的前提下，为简化求解过程，作出以下几点假设。①散热器置于非封闭空间，周围空间压力设定为0.1 MPa，同时环境温度设定为20 ℃。②忽略重力影响，流体不可压缩。③热量通过热传导方式从PCB铝基板传递到散热器底面，最大结温低于200 ℃［21］。因此，可忽略热辐射，处在环境中的所有散热器表面按绝热条件给定。

根据上述假设，在瞬态研究中，流固传热基于能量守恒方程见式（1）、式（2）。

[ρ]Cp[?T?t]+[ρ]Cpu·?T+?q=Q （1）

q=-k?T （2）

流体流动基于动量方程见式（3）、式（4）。

[ρ ][?u?t]+ [ρ]（u·2）u=2·（-pl+k）+F （3）

[ρ]?·u=0 （4）

相变模型参考方程见式（5）至式（8）。

[ρ]=θ1[ ρ]1+θ2[ ρ]2 （5）

Cp=[1ρ]（θ1 [ρ1]Cp，1+θ2 [ρ2]Cp，2）+L1→2[?αm?T] （6）

[αm]=[12][θ2ρ2-θ1ρ12θ1ρ1+θ2ρ2] （7）

k=θ1k1+θ2k2                       （8）

式中：ρ为材料的密度，kg/m3；CP为相变材料比热容，J/（kg·K）；T为流体温度，K；t为时间，s；u为干冰入口速度，m/s；q为对流热通量，W/m2；k为相变材料导热系数，W/（m·K）；Q为干冰的焓，J/kg；d为特征长度，m；μ为动力黏度，Pa·s；θ1、θ2分别为两种相变材料的体积分数；αm为质量分数。

2 喷射过程数值计算结果与分析

2.1 干冰喷射过程

干冰喷射过程如图2所示，主要由二氧化碳气瓶、控制阀、减压阀、气液分离器、流量调节阀、流量计和干冰散热器组成。液态二氧化碳经阀门后由喷嘴喷射进散热器，少部分气体经气液分离器分离出。根据焦耳-汤姆逊原理，在喷射过程中，二氧化碳经减压阀后温度急剧下降，并到达气固边界，在室温和大气压力下形成干冰颗粒。干冰喷入散热器后，一部分流体向四周沿上壁面和针柱间的空间扩散，再经针柱空隙流出，在散热器内部左右两侧形成明显回流；一部分流体也会射流而下，在针柱间形成强烈的流场扰动，抵达被冲击壁面后，流体沿壁面向四周散开，形成贴壁射流区，迅速带走底部热量。

LED的使用壽命在很大程度上由LED芯片中P-N结温决定，通过模拟仿真LED基板温度得到P-N结温，忽略LED封装各层之间热阻及LED芯片中P-N结到焊点之间的热阻，LED芯片P-N结温为LED基板温度。采用干冰喷射方式进行LED灯散热，散热器内的温度场、速度场是用来评价散热性能的重要指标。对温度场、速度场进行分析，能有效控制喷射参数，保证散热充分，合理控制干冰消耗量。

2.2 干冰流量对固相分数影响

干冰从入口喷入后会迅速升华为二氧化碳，入口直径为10 mm、针柱高度为40 mm、针柱直径为2 mm。不同流量（7.85 mL/s 、23.55 mL/s）对散热器中固相和气相分布不均匀度的影响如图3、图4所示。由图3和图4可以看出，散热器中固相分数与流量大小变化趋势一致，在500 s时处于平衡状态，即温度趋于稳定时固相分数相当。由等值面图可以看出，在运行初期，两者在数值上存在较大差异，干冰流量为7.85 mL/s、冷却时间为10 s时，工质未充满散热器，只有中间及以上空间有工质存在，25 mm高度处固相分数为0.04，图3（c）为此时表面温度分布状况，铝基板表面显然还未被冷却。干冰入口位于散热器中心，当干冰射流进入散热器，干冰遇到针柱发生回流，二氧化碳分数由中心向两边递减，在中心形成大涡旋，增强扰动，改善流场分布。10 s时只有正对入口的中心温度略有降低，此区域的局部传热强度最高，全部干冰基本上都升华成二氧化碳。

当干冰流量为23.55 mL/s、冷却时间为10 s时，同样位置的干冰固相分数约为0.34，流量增大3倍，固相分数从0.04增加至0.34，增幅为750%。图4（c）为10 s铝基板表面温度分布情况，由该图可以看出，中心半径约为20 mm的圆面积已被冷却，流量增加，固相体积分数也随之增加。这是因为流量增加，有更多的干冰喷入散热器，大量干冰无法瞬间升华为二氧化碳，散热器升华能力基本饱和，固相分数大于气相分数，结合中心涡旋的强烈扰动，能有效提高传热效果，冷却潜能更大，降温效果更佳。图3（d）、图4（d）为运行500 s达到平衡时表面温度分布情况，可以看出，干冰流量为23.55 mL/s时表面温度更低，温度分布更均匀，但随着干冰喷入量的增大，干冰消耗量增大，初投资增加，造成资源浪费。可选择干冰流量为7.85 mL/s，稳定后最高温度为56.4 ℃，其热学性能完全满足LED灯的散热要求，保证其在正常运行范围内。

2.3 干冰流速对LED结温影响

本研究以标称功率为300 W的LED灯铝基板（平面Z＝-5 mm）温度分布为研究对象。随着干冰流速的增加，LED铝基板最高温度分别为56.5 ℃、48.9 ℃、45.1 ℃、43.0 ℃、41.5 ℃。不同流速下温度降低幅度如图5所示，由图5可以看出，随着干冰流速的提高，系统达到稳定后出口干冰固相分数不再发生变化时，铝基板最高温度、最低温度及面平均温度均呈现下降趋势。而流速进一步增加，温度降低幅度趋缓，这是因为流速的提高会增大传热系数，增加传热效果，降低表面温度。此外，流速的进一步提高，散热器内部已完全发展为湍流状态，更多的干冰转换为二氧化碳，导致散热器内部压力升高，阻碍干冰回流及扰流，同时较多体积的干冰对气体的脱离和运动有阻碍作用，流速的增加对提高综合传热系数的影响减弱，温度变化趋于稳定。流速为0.1 m/s时已完全满足性能要求，可保证充分利用干冰，避免资源浪费。对冷却表面温度要求更高的器件，可根据实际情况适当加大流速。

2.4 不同功率干冰喷射对LED结温影响

为研究不同输入功率时LED灯P-N结区域温度场的变化趋势，在模型中研究干冰喷射流量为7.85 mL/s时PCB铝基板区域（平面Z＝-5 mm）的温度分布，如图6所示。

由图6可知，随着LED模块的总输入功率增加，在噴入干冰30 s前，平面Z＝-5 mm的表面平均温度有较明显上升，这是由于LED灯已经开始工作，而干冰射流还未彻底到达冷却表面。40 s后表面温度开始逐渐下降，大量的干冰进入散热器发生相变，冲击射流与升华相变相结合，加之针柱交错设计能有效延缓热边界层的形成，改善流场分布，强化换热，有效降低LED结温。到200 s后，温度稳定在一定范围内，之后基本不变。

标称功率为200 W时，稳定后表面温度可低至10.04 ℃，冷却效果极佳；功率为300 W时，稳定后表面温度为53.13 ℃；功率为320 W时，稳定后表面温度为61.81 ℃，远低于LED正常运行温度。本研究所设计的散热器结构能很好地满足功率低于320 W的LED灯冷却要求，但冷却过程中出现接近120 ℃的高温，即将到达LED灯损坏温度。因此，对更高功率的LED阵列，可通过增大散热器的尺度来满足要求。

2.5 网格独立性验证

通过改变网格大小计算数值模拟结果进行网格独立性验证，即预定义设置为粗化、常规、细化、较细化，这些物理控制网格数量分别为503 142、853 814、1 144 091和3 003 888。对不同数量的网格进行计算，基板的稳定温度分别为54.8 ℃、56.19 ℃、56.4 ℃、56.67 ℃。试验结果表明，当网格数目大于853 814时，结果独立，散热器内换热达到相对稳定后，LED最高结温变化范围为-0.5～0.5 ℃。综合考虑计算精准性和计算成本，计算网格数目为1 144 091。

2.6 对比分析

干冰喷射散热与自然对流及水微喷射阵列冷却方式对比如图7所示。对基于自然对流的被动冷却方式的系统，LED灯的温度先有一个较为缓慢的升高，最后稳定在96.1 ℃［22］，应用水微喷射阵列冷却系统，LED灯温度先缓慢升高，然后在69.4 ℃［23-24］稳定工作，应用干冰喷射散热器，在30 s前，LED表面温度有一个比较显著上升。对标称功率为300 W的LED灯，温度最高上升到103 ℃左右，但仍处于LED灯安全运行范围内，之后温度开始显著降低，经过95 s左右，表面温度稳定并维持在53.13 ℃，且表面最大温差为6.7 ℃，均匀性良好。相较于自然对流方式和水微喷射阵列冷却方式，干冰喷射法LED稳定工作结温分别降低44.71％、23.44％，比单相射流方式降低24.1％。标称功率为200 W时，稳定后表面温度不到20 ℃，可使LED灯长期稳定安全运行，在一定程度上体现干冰喷射冷却LED灯的可行性及在一些领域的发展前景。

3 结论

针对大功率LED灯散热问题，本研究提出干冰喷射散热器模型，对其应用于300 W大功率LED灯的散热特性进行研究，并与现有散热方式比较。得出以下结论。

①干冰喷入流速为0.1 m/s时，运行40 s后温度出现显著降低，趋于稳定后，表面温度保持在56.4 ℃左右，远低于LED损坏温度，最大温差为6.7 ℃，表面温度均匀，干冰散热器能有效降低LED灯温度，200 s后是较佳工作状态。

②干冰流量由7.85 mL/s增至23.55 mL/s，散热器相同位置的干冰固相分数由0.04增至0.34，流量增加能明显改善传热效果。随着干冰喷入量增大，干冰消耗量增大，初投资增加。综合考虑，选择最佳干冰流量为7.85 mL/s。

③干冰流速分别为0.10 m/s、0.15 m/s、0.20 m/s、0.25 m/s、0.30 m/s时，铝基板表面温度平衡后的最高温度依次为56.4 ℃、48.9 ℃、45.1 ℃、43.0 ℃、41.5 ℃，温度降幅为13.29%、7.77%、4.65%、3.49%。随着流速增大，温度会逐渐降低，但当流速进一步增大时，流速对传热效果的改善程度逐渐减小。

④功率为300 W的LED灯的基板表面，对干冰喷射散热与自然对流方式、水微喷射阵列冷却方式进行比较，稳定运行温度分别降低44.71％和23.44％，与单相射流方式比较，温度降低24.1％。

参考文献：

［1］梁才航，吴启明，黄连生，等.大功率汽车LED前大灯散热性能数值模拟［J］.照明工程学报，2021（4）：92-95，100.

［2］MIN S H.Thermal analysis of high power led arrays［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013（5）：1493-1499.

［3］KHANDEKAR S，SAHU G，MURALIDHAR K，et al.Cooling of High-Power LEDs by Liquid Sprays：Challenges and Prospects［J］.Applied Thermal Engineering，2020（1）：115640.

［4］李嘉祥.低色温无荧光粉LED光源的可靠性研究［D］.江西：南昌大学，2020.

［5］CHEN H T，HUI S Y.Dynamic prediction of correlated color temperature and color rendering index of phosphor-coated white light-emitting diodes［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014（2）：784-797.

［6］陈焕庭，陈福昌，何洋，等.多芯片LED器件热学特性分析［J］.发光学报，2018（5）：751-756.

［7］唐帆，郭震宁. LED太阳花散热器开缝交错设计［J］.光学学报，2018（1）：284-290.

［8］刘维茜，白建波，李茹，等.基于响应面分析法的LED導热塑料散热器的结构设计与优化［J］.照明工程学报，2020（5）：75-81.

［9］吕北轩，熊峰.新型大功率LED工矿灯用散热结构设计与优化［J］.现代电子技术 2018（21）：161-164.

［10］XIE J L，TAN Y B，DUAN F，et al.Study of heat transfer enhancement for structured surfaces in spray         cooling［J］.Applied Thermal Engineering，2013（1-2）：464-472.

［11］PANAO M R O，COSTA J J，BERNARDO M R F.Thermal assessment of sublimation cooling with dry-ice sprays［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2018（3）：518-526.

［12］OLIVEIRA P A D，BARBOSA J R.Thermal design of a spray-based heat sink integrated with a compact vapor compression cooling system for removal of high heat fluxes［J］.Heat Transfer Engineering，2015（14-15）：1203-1217.

［13］HSIEH S S，HSU Y F，WANG M L.A micro spray-based cooling system for high powered LEDs［J］.Energy Conversion & Management，2014（10）：338-346.

［14］GATAPOVA E Y，SAHU G，KHANDEKAR S，et al.Thermal management of high-power LED module with single-phase liquid jet array［J］.Applied Thermal Engineering，2020，18：116270.

［15］吕平.干冰微粒喷射技术综述［J］.真空科学与技术学报，2016（8）：955-961.

［16］M?A V，HOR??K D，PETRIL?K D.Industrial use of dry ice blasting in surface cleaning［J］.Journal of Cleaner Production，2021，329：129630.

［17］LI J X，LI Y Z，LI E H，et al.Experimental investigation of spray-sublimation cooling system with CO2 dry-ice particles［J］. Applied Thermal Engineering，2020，174：115285.

［18］宁静红，孙朝阳，鲍春秀，等.高热通量芯片干冰冷却降温性能的理论分析［J］.化工学报，2021（4）：2047-2056.

［19］NING J H，SUN Z Y，ZHAO Y F，et al.Influence of dry ice inlet and outlet positions on cooling characteristics of high heat flux chip［J］.International Journal of Refrigeration，2021（4）：2047-2056

［20］SHERMAN R.Carbon dioxide snow cleaning［J］.Developments in Surface Contamination and Cleaning （Second Edition），2016（1）：695-716.

［21］SAMETOGLU F，KOC E.Construction and characterization of a high luminance level source based on high power multi-chip white LEDs［J］.Results in Optics，2021，5：100170.

［22］谢伟伟，颜祯，王高辉，等.200 W LED灯散热器设计与优化［J］.科技视界，2020（43）：138-140.

［23］LUO X，SHENG L.A Microjet array cooling system for Thermal Management of High-Brightness LEDs［J］.IEEE Transactions on Advanced Packaging，2007（3）：475-484.

［24］LUO X，HU R，LIU S，et al.Heat and fluid flow in high-power LED packaging and applications［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2016（5）：1-32.

收稿日期：2022-11-02

基金項目：天津市研究生科研创新项目“大功率电子器件干冰喷射冷却特性的研究”（2021YJSS295）。

作者简介：宁静红（1964—），女，博士，教授，研究方向：自然工质制冷系统节能与优化。