漢鼎LED路燈廠家(jia)：隨著LED技術的(de)發展，功率型LED在背光、汽(qi)車、戶外(wai)照(zhao)明、商(shang)業照(zhao)明等領域(yu)都(dou)得到飛速發展。但是目前單顆LED的輸出光通量較低(di)，對于戶(hu)外照明，需要將(jiang)LED集成才(cai) 能(neng)達到(dao)所需的亮(liang)度。在LED的光電轉化(hua)中，只有10%～20%的電能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)光輸出(chu)，其余的轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱能(neng)，熱量通過LED基板傳導(dao)到外部安裝(zhuang)的(de)散(san)熱裝(zhuang)置來進行 散(san)熱。為了保證LED路燈的(de)壽命和可靠性，LED芯片結溫要控制在(zai)120℃以下(xia)。LED用于道路照明或隧道照明，要(yao)滿(man)足防塵、防水、雷(lei)擊、風(feng)壓等多(duo)方(fang)面的要(yao)求(qiu)，所以大功率LED路燈散(san)熱器采用(yong)自然對流這種冷(leng)卻方式(shi)最佳。

　　針對大功率LED路燈的散熱難題，國內外學者或制造者在散熱器結構和材料上做了很多工作。劉靜等人-采用等效電路的熱阻法計算了大功(gong)率(lv)LED照明器 的熱(re)阻，并(bing)估算了(le)散(san)熱(re)器的面積(ji)，然后利用Icepak軟件進行建模分析，改變(bian)散熱器結構的幾何參(can)數，通過(guo)分析比較(jiao)得出翅片(pian)高度變(bian)化對(dui)散熱性能(neng)影(ying)響最明顯。 張(zhang)琦等人(ren)采用ANSYS有限(xian)元軟件對其(qi)散(san)(san)熱(re)結構進(jin)行了(le)熱(re)分(fen)析，分(fen)析了(le)鋁制熱(re)沉不同結構參數對其(qi)溫(wen)度場(chang)的影響情況。通過模擬優(you)(you)化，有效減小了(le)散(san)(san)熱(re)器的質量， 優(you)(you)化了(le)散(san)(san)熱(re)器的結構。胡紅利等人基于半導體熱(re)電元件和(he)熱(re)管技(ji)術來控制LED燈散熱，并(bing)增加一(yi)個余熱回收(shou)系統，結構復雜，附件多(duo)，影響(xiang)其工(gong)作的穩(wen)定性。張雪 粉(fen)設計了多(duo)種大功率LED散(san)熱(re)器模型，但(dan)對(dui)各個散(san)熱(re)器在自(zi)然(ran)對(dui)流的(de)模擬分(fen)析過(guo)程中(zhong)，對(dui)其(qi)表(biao)面均采用(yong)定值平均換熱(re)系(xi)數(shu)。雖然(ran)計算(suan)(suan)(suan)區域(yu)只有散(san)熱(re)器本身，大(da)大(da)地 簡化(hua)了計算(suan)(suan)(suan)量，減少計算(suan)(suan)(suan)時(shi)間，方便散(san)熱(re)器設(she)計，但(dan)由于幾何結構上的(de)復(fu)雜性，平均換熱(re)系(xi)數(shu)必須通過(guo)實驗與數(shu)值計算(suan)(suan)(suan)反(fan)復(fu)校正才能準確得到。 L.Dialameh等人對翅片散(san)熱(re)器進行了三維數值模(mo)擬優化，分析了不同肋片高度(du)與(yu)肋片間距中空氣(qi)的速度(du)大小(xiao)分布情況；在不同的肋高和(he)肋間距下，得出(chu)肋 片不同的平均換熱(re)系(xi)數。

　　常規的50WLED路燈(deng)散熱器外形如圖1所示，其體積大，浪費的金屬材料多，成本居高不下，導致大功率LED路燈產(chan)業化應用受阻(zu)。本(ben)文采(cai)用Fluent軟件對(dui)這種散熱(re)器進(jin)行(xing)了(le)三維建模分析，研(yan)究了(le)散熱(re)器在大(da)空間中自然(ran)對(dui)流換熱(re)的(de)耦(ou)合傳熱(re)問題；研(yan)究了(le)散熱(re)器散熱(re)過(guo)程 中的(de)溫(wen)度場與周圍空氣流動(dong)的(de)矢量場，對(dui)散熱(re)器的(de)結構進(jin)行(xing)了(le)改進(jin)。

　　

圖1　LED路(lu)燈散熱器外形(xing)示意圖(tu)

　　1　散(san)熱器分析

　　1.1　數值分析

　　2.1.1.1　計算(suan)域(yu)

　 　三(san)維物理模型的(de)建立(li)、網格劃分以及邊界條件的(de)設立(li)都在Fluent前處理軟件Gambit中進行(xing)。模(mo)型計算域如圖2所示(shi)，基(ji)板厚4mm，基(ji)板底面 270mm×255mm，肋片厚(hou)2mm，中(zhong)間(jian)最大間(jian)距為16mm，其余均(jun)為12mm，肋片高(gao)度從外側到中間依次(ci)為 32，33，33，34，34，35，35，36，36和37mm。

　　

圖2　散熱器數(shu)值計算模型示意圖

　 　為(wei)了滿(man)足散熱器(qi)自(zi)然對流耦(ou)合(he)計算的準(zhun)確性，空(kong)氣流動域必須取(qu)得足夠大，大空(kong)間(jian)才能(neng)適用壓力入口邊界條件。但是計算域太(tai)大，散熱器(qi)周圍又要求足夠密的網 格，會造成劃分(fen)的網格太(tai)多，計算機資源(內存(cun)、CPU)不足(zu)，計算(suan)太(tai)慢等問(wen)題。所以(yi)我們需要將計算(suan)域采用(yong)多層網(wang)格(ge)(ge)畫法。這(zhe)樣(yang)散(san)(san)熱(re)器(qi)和散(san)(san)熱(re)器(qi)附(fu)近的空氣流動(dong) 區域可(ke)以(yi)采用(yong)較小的網(wang)格(ge)(ge)單(dan)元間(jian)隔來劃分，離散(san)(san)熱(re)器(qi)較遠的空氣流動(dong)區域可(ke)以(yi)采用(yong)疏(shu)網(wang)格(ge)(ge)。這(zhe)樣(yang)能減少(shao)計算(suan)量，縮短計算(suan)時(shi)間(jian)。

　　1.1.2　計算方法

　 　散熱器基板底面(mian)不(bu)斷地(di)提供熱量，基板和散熱器肋片(pian)結合(he)(he)處為(wei)導熱對流(liu)(liu)換熱的耦合(he)(he)問(wen)題(ti)，肋片(pian)與周圍空氣發(fa)生(sheng)自然對流(liu)(liu)換熱。因(yin)此，近似(si)地(di)把(ba)問(wen)題(ti)看作(zuo)是三維、穩 態、常物(wu)性、有內熱源的導熱和對流(liu)(liu)換熱的耦合(he)(he)問(wen)題(ti)。計(ji)算過(guo)程(cheng)中由(you)溫(wen)差引起(qi)的輻射換熱忽略(lve)不(bu)計(ji)，由(you)于溫(wen)差而引起(qi)的浮生(sheng)力作(zuo)用，在計(ji)算中引入了 Boussinesq假設：1)流體中的粘性耗散項忽略不(bu)計；2)除密(mi)度外其他物性皆為常(chang)數；3)密度僅考(kao)慮動(dong)量方(fang)程(cheng)中(zhong)與(yu)體積力有(you)關的(de)項，其余各(ge)項中(zhong)的(de)密 度作(zuo)常數(shu)處理。數(shu)值計(ji)算(suan)(suan)時，散熱(re)器和大(da)空間采(cai)用(yong)整(zheng)場離散，整(zheng)場求(qiu)解方(fang)法，把固體和流體中(zhong)的(de)熱(re)傳遞過(guo)程(cheng)組合起來(lai)(lai)作(zuo)為一個(ge)統一的(de)傳熱(re)過(guo)程(cheng)來(lai)(lai)求(qiu)解。計(ji)算(suan)(suan)區域采(cai)用(yong) 有(you)限容(rong)積法在同位網格上進(jin)行控制(zhi)方(fang)程(cheng)的(de)離散，κ-ε雙方程模型求解。文獻指出在整場求解時，為(wei)了保證固體(ti)與流(liu)(liu)體(ti)耦合界面物理上熱(re)流(liu)(liu)密(mi)度的連續性，固體(ti)中的 比熱(re)容采用流(liu)(liu)體(ti)區中的比熱(re)容之值。求解采用壓力-速(su)度耦合的SIMPLE算法，動(dong)量和能量方程中的對流(liu)項(xiang)均采(cai)用二階迎風(feng)格式，壓(ya)力項(xiang)采(cai)用PRESTO！格 式。我(wo)們做(zuo)了網格獨立性的(de)(de)考(kao)核，其標準是(shi)相鄰兩個(ge)計算中散熱器肋片上的(de)(de)溫(wen)度(du)和周圍的(de)(de)矢量流場的(de)(de)相比值不超過(guo)1%。計算收(shou)斂的條件(jian)選取相(xiang)鄰兩個迭代步(bu)之間的 殘(can)(can)差(cha)小于給定量，能量殘(can)(can)差(cha)為(wei)1×10-6，其余均為0.001。

1.1.3　邊界條件

　　散(san)熱器基板底面(mian)假定為(wei)等熱流邊界條件，根據功率和(he)基板底面(mian)面(mian)積給定。散(san)熱器上的(de)肋片自(zi)然(ran)對流換(huan)熱為(wei)耦合(he)計算面(mian)，邊界條件的(de)設置按(an)照壁面(mian)函數法(fa)確定。散(san)熱器是在大(da)空(kong)間(jian)中進行自(zi)然(ran)對流換(huan)熱，該計算域大(da)空(kong)間(jian)的(de)六個(ge)面(mian)均設為(wei)壓(ya)力入口邊界條件，環(huan)境(jing)壓(ya)力為(wei)一個(ge)大(da)氣壓(ya)。

　　1.1.4　計算(suan)結果

　 　當散(san)熱器的加熱功率為50W，其熱流密(mi)度的計算(suan)公式如下：q=Q/A，式中，q為熱流密度，Q為熱流量，A為基板(ban)底面面積。當環境溫(wen)度為23℃時(shi)，數(shu)值(zhi) 計算得到散熱(re)器肋片和(he)基(ji)板底面(mian)穩態(tai)溫度場如圖3、圖4所示。此(ci)時散熱器肋片平(ping)均溫度為39℃，基板底面最高溫(wen)度為53℃。

　

圖3　散熱器肋片溫度分布圖

　　

圖4　散熱器基板底(di)面溫(wen)度分(fen)布圖(tu)

　　1.2　實驗分析

　　為了(le)確保數值計(ji)算所選的數學模型、網格劃分、計(ji)算方法和(he)邊界(jie)條件的可靠(kao)性(xing)，我們做了(le)實(shi)驗(yan)研究。實(shi)驗(yan)測量(liang)過程在一個不受干擾的封(feng)閉空間進行，實(shi)驗(yan)系統圖如圖5所示。在試驗中，散熱器基(ji)板底(di)面(mian)覆以電加熱板，用以模擬LED燈(deng)組產(chan)生(sheng)(sheng)的熱(re)量。并在(zai)基板與電(dian)加(jia)熱(re)板間填涂導熱(re)硅脂，隔絕(jue)(jue)空氣熱(re)阻(zu)。電(dian)加(jia)熱(re)板下方用石棉(mian)板絕(jue)(jue)熱(re)使(shi)電(dian)加(jia)熱(re)板產(chan)生(sheng)(sheng)的熱(re)量全部由散熱(re)器散出(chu)。

　　

圖5　實驗系統(tong)示意圖

　 　實驗過(guo)程中(zhong)為了(le)減少對流場的影(ying)響，熱電偶從散(san)熱器上(shang)方引出。為了(le)測定散(san)熱器主要部分(fen)固體表(biao)面(mian)溫度，在散(san)熱器上(shang)總(zong)共布置了(le)17個熱電(dian)偶(ou)測量(liang)點(dian)。其中1、2 號(hao)熱(re)電偶布置在(zai)散(san)熱(re)器(qi)幾(ji)何中心(xin)的肋(lei)底(di)和肋(lei)頂，3、4號熱電偶布置在散熱器中間肋片前端端面(mian)上(shang)的肋底(di)和(he)肋頂，5、6號(hao)熱(re)電偶布(bu)置在散熱(re)器從左邊(bian)起第三片肋(lei)中 間(jian)的(de)肋(lei)底和(he)肋(lei)頂，7、8號熱(re)電偶布置在(zai)散熱(re)器從(cong)左邊(bian)起第(di)三片(pian)肋(lei)前端端面的(de)肋(lei)底(di)和肋(lei)頂，9、10號熱(re)電偶布置在散熱(re)器左(zuo)邊(bian)最外側(ce)肋片中間段的(de)肋底和(he)肋頂。 11～17號熱(re)電偶(ou)沿著基板(ban)底面對稱線(xian)上對稱布置(zhi)。通過(guo)穩壓(ya)器和調壓(ya)器給電加熱(re)板(ban)供(gong)電，當散熱(re)器基板(ban)底面最高溫度(du)在(zai)10min內的變化范圍小于0.5℃左(zuo) 右時，我們認為電加(jia)熱板的加(jia)熱量和散(san)熱器的散(san)熱量達到平衡。此后(hou)采集各個測量點的溫度值。

　　1.3　數值計算(suan)和實(shi)驗結果的對比分(fen)析

　 　本(ben)文中實驗加熱功率(lv)間隔(ge)為20W，從30～110W的范(fan)圍內進行，基板(ban)底面最高溫度分別為41、55、67、78和87℃。對應的數值計(ji)算基板(ban)底面最高 溫度分別為41、53、65、75和88℃。從實驗和(he)數(shu)(shu)值計算結果(guo)可以看出隨著加熱功率的提(ti)(ti)高(gao)，散熱器的基板底(di)面(mian)最高(gao)溫度也隨之提(ti)(ti)高(gao)，成(cheng)線性變化(hua)。實驗結 果(guo)和(he)數(shu)(shu)值計算結果(guo)的對比如圖6所(suo)示，相(xiang)對誤差率(lv)在1%范圍內，說明(ming)數值分(fen)析結(jie)果是可靠的。

　　

圖(tu)6　實驗(yan)結果與數值結果的對比

 

    2　散熱器自然對流過程分析

　 　散(san)熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)自然對流(liu)過程(cheng)中，基(ji)板底面不斷地提供熱(re)(re)(re)量，由于散(san)熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)材料(liao)良好的導熱(re)(re)(re)性，熱(re)(re)(re)量使散(san)熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)溫度不斷提高。靠(kao)近散(san)熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)周圍(wei)的空氣(qi)受熱(re)(re)(re)，密(mi)度變(bian)小，與(yu)遠離散(san)熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)的空氣(qi)形成密(mi)度差，產生了浮力。在散(san)熱(re)(re)(re)過程(cheng)中，數(shu)值計算結果可以得(de)到在Y-Z面(mian)中的速度矢量場如圖7所示。可以直觀地看出空氣(qi)(qi)因為散(san)熱(re)(re)器的(de)(de)基(ji)板(ban)底面 在(zai)浮力的(de)(de)作用下，擾流冷(leng)卻(que)散(san)熱(re)(re)器的(de)(de)時候(hou)，空氣(qi)(qi)直接從(cong)(cong)散(san)熱(re)(re)器四周往上(shang)走，卻(que)不(bu)能進(jin)入散(san)熱(re)(re)器肋片間對散(san)熱(re)(re)器進(jin)行(xing)冷(leng)卻(que)。在(zai)電加(jia)熱(re)(re)板(ban)的(de)(de)加(jia)熱(re)(re)量與散(san)熱(re)(re)器的(de)(de)散(san)熱(re)(re)量平衡 時，散(san)熱(re)(re)器肋片都(dou)成了(le)等溫壁面。速(su)度(du)又是(shi)由(you)溫度(du)差引起(qi)的(de)(de)，速(su)度(du)小導致空氣(qi)(qi)的(de)(de)浮生力小于(yu)粘性力。散(san)熱(re)(re)器周圍的(de)(de)冷(leng)空氣(qi)(qi)從(cong)(cong)散(san)熱(re)(re)器四周往上(shang)運動，到(dao)最終混為一起(qi)的(de)(de) 時候(hou)，在(zai)散(san)熱(re)(re)器肋片的(de)(de)上(shang)方形成了(le)一個很大(da)的(de)(de)滯流區域。從(cong)(cong)圖8　X-Z面的(de)速度矢量圖可以看出(chu)在(zai)肋片(pian)方向上的(de)滯流區域里(li)(li)的(de)兩端(duan)形成了兩個(ge)小渦，阻止了周圍(wei)空 氣進入散熱器肋片(pian)里(li)(li)。又(you)因為在(zai)粘性力的(de)作用(yong)下(xia)，這(zhe)個(ge)滯流區域里(li)(li)空氣流速非常小，所以在(zai)這(zhe)樣的(de)結構(gou)下(xia)，散熱器的(de)肋片(pian)就(jiu)沒(mei)有充分發揮出(chu)自然對流的(de)散熱效果。

　　3　散熱(re)器結構改(gai)進(jin)

　 　自然對流(liu)的散熱強度(du)不僅(jin)取決于流(liu)速、溫差和(he)流(liu)體物性，還取決于速度(du)場和(he)溫度(du)場的協同。從(cong)數值計算結(jie)果分(fen)析來(lai)看，為了提(ti)高(gao)散熱器(qi)的散熱能力，降(jiang)低基板底面 最高(gao)溫度(du)可以有兩種方法：(1)把(ba)散熱(re)(re)器做得更大，散熱(re)(re)器體積越(yue)大，其熱(re)(re)容量越(yue)大，其散熱(re)(re)面積也越(yue)大，還(huan)等同于降低(di)了單位熱(re)(re)流密(mi)度。但缺(que)點是(shi)增加成本(ben)，浪 費金屬材料；(2)通過改(gai)變(bian)空(kong)氣擾流流場線，讓(rang)速度場和溫度場的協同性更好。把原有散熱器模(mo)型(xing)加工成如圖9所示，讓空氣在浮力的作(zuo)用下可以(yi)在散(san)熱(re)器(qi)(qi)中(zhong)間實 現上下流通，擾流肋片(pian)，增(zeng)大空氣擾流面(mian)(mian)積。這樣(yang)不僅可以(yi)破(po)壞(huai)散(san)熱(re)器(qi)(qi)上面(mian)(mian)的滯流區域，還增(zeng)大了空氣流通量，更充分(fen)冷卻散(san)熱(re)器(qi)(qi)。

　　

圖9　散熱器新結(jie)構示(shi)意(yi)圖

　 　為了分析新(xin)結構散熱(re)器的(de)散熱(re)能力，對比實驗驗證了數(shu)值計算(suan)可靠性，所以我們采(cai)用(yong)同樣的(de)數(shu)學模型、網格劃分、計算(suan)方法(fa)和邊界條件(jian)來數(shu)值計算(suan)分析，這樣省 時(shi)，高(gao)效，成本低。計算(suan)結果顯(xian)示(shi)散熱(re)器新(xin)結構的(de)基板底(di)面溫度分布圖(tu)如圖(tu)10所示(shi)。在(zai)相同功率下，雖然(ran)基板(ban)底面受熱面積有(you)所減小，底面單位熱流密度(du)有(you)所增 加(jia)。但是散熱器的基板(ban)底面最高(gao)溫(wen)度(du)依然(ran)比原模型降低了5℃。肋片平均換熱系數(shu)也由5.1W/(m2·K)提高(gao)為6.0W/(m2·K)。從(cong)X-Z面(mian)，Y- Z面上的速度矢(shi)量圖11、12可以看出新結構在散(san)(san)熱器中間實現了(le)空(kong)氣(qi)上下流(liu)通，增加了(le)空(kong)氣(qi)的(de)流(liu)通量(liang)，受(shou)熱空(kong)氣(qi)擾流(liu)散(san)(san)熱器中部肋片時的(de)最大(da)速度(du)也只有 0.9m/s左(zuo)右，這(zhe)(zhe)種新結構下，當工作環境在有風(feng)的(de)條件下，更會強化換熱(re)(re)(re)效(xiao)果(guo)(guo)，使散(san)熱(re)(re)(re)效(xiao)果(guo)(guo)更佳。這(zhe)(zhe)種新結構加工程序簡單(dan)，減輕了散(san)熱(re)(re)(re)器的(de)重量和總的(de)金屬(shu) 消耗量，也方便于(yu)自(zi)動(dong)化生產(chan)及安裝。

　　4　結論

　　本文運用(yong)Fluent軟件對(dui)大功(gong)率LED路 燈散熱器在(zai)大空(kong)間中自(zi)然對流冷(leng)卻進(jin)行了(le)耦合數值計算。對其散熱過程(cheng)進(jin)行了(le)分析，得出了(le)如下結論：(1)數值計(ji)算(suan)結(jie)(jie)果與實驗(yan)結(jie)(jie)果吻(wen)合(he)較(jiao)好(hao)，說明本(ben)文計(ji)算(suan)方(fang)法(fa) 的可靠性(xing)；(2)數值(zhi)計(ji)算(suan)比(bi)實驗(yan)能更(geng)好、更(geng)科學、更(geng)方便地分析散(san)熱(re)器(qi)的散(san)熱(re)過程；(3)本文(wen)設計的(de)散熱(re)(re)器新結(jie)構，讓(rang)空(kong)氣在(zai)散熱(re)(re)器中間實(shi)現(xian)上(shang)下流通，增加空(kong) 氣流通量(liang)，降低了基板底(di)面溫度，提高了肋(lei)片平均換(huan)熱(re)(re)系數；(4)底面加工間距對散熱器散熱能力有顯著影響。（來源：重慶大學動(dong)力工程學院）
 

版權所有//bajle.cn(漢鼎照明)轉載請注明出處