加裝導(dǎo)流罩的大功率LED強化換熱特性研究

王志斌, 劉永成, 張 健, 劉麗君, 孔亞楠

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

引言

大功率LED作為一種新型光源，其耗能低，用電量為傳統(tǒng)白熾燈的10%[1]；壽命長，LED燈壽命可達(5～10)×104h；綠色環(huán)保，不含重金屬等優(yōu)點[2]。然而大功率LED還存在著發(fā)光效率低、光強分布不均、散熱量大等問題，阻礙著LED光源的推廣。在產(chǎn)熱方面，大功率LED近80%的能量轉(zhuǎn)化為熱[3-4]，當(dāng)散熱不暢時，會對LED的半導(dǎo)體器件造成不可逆的損傷，導(dǎo)致其光譜紅移，使用壽命縮短[5-7]。對于大功率LED散熱，魯祥友等提出了一種回路熱管，將散熱器的熱阻保持在0.48 W～1.47 W之間[8]。羅小兵等提出了一種封閉微噴射流方案，獲得了較好的散熱效果[9]?？苤竞５忍岢隽艘环N平板熱管散熱方案，使LED結(jié)溫保持在了47.9 ℃～59.0 ℃之間[10]。萬忠民等提出了一種多孔微熱沉，在熱流密度為200 W/cm2的情況下，最高溫度達到55.2 ℃[11]。

本文在風(fēng)冷散熱的基礎(chǔ)上，在散熱器與風(fēng)扇之間加裝導(dǎo)流罩，并分析肋片夾角對散熱效果的影響，以改變流經(jīng)散熱器的流體流形，達到較好的散熱效果。

1 理論闡述

穩(wěn)態(tài)條件下等截面肋片的導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：h為對流換熱系數(shù)；P為肋片截面周長；Ac為肋片截面面積；λ為肋片導(dǎo)熱系數(shù)；t為肋片在x處的溫度；t∞為環(huán)境溫度。

令

(2)

式中：δ為肋片厚度；l為肋片長度。

令θ=t-t∞，θ為過余溫度，將上述條件代入導(dǎo)熱微分方程和其邊界條件組成的方程組：

(3)

式中：θ0為肋片根部溫度；H為肋片高度。可得到肋片溫度分布和實際散熱量公式為

(4)

(5)

式中：cosh(x)為雙曲余弦函數(shù)；tanh(x)為雙曲正切函數(shù)。

根據(jù)肋片換熱量(5)式，當(dāng)散熱器肋片形狀固定時，給散熱器加裝風(fēng)扇、設(shè)計導(dǎo)流罩和改變肋片夾角等操作，都是改變肋片的對流換熱系數(shù)h，通過改變換熱系數(shù)達到較好的散熱效果。

2 系統(tǒng)模型的建立

本文中，散熱器的參數(shù)：基板厚度5 mm，基板內(nèi)環(huán)直徑20 mm，基板外環(huán)直徑60 mm，肋片厚度1 mm，肋片高度20 mm，肋片長度20 mm。散熱器的材質(zhì)為導(dǎo)熱性能和可塑性良好的鋁6061。在散熱器的底部施加一個20 W的熱源，設(shè)定環(huán)境溫度為25 ℃。

導(dǎo)流罩的初始參數(shù)：進氣口直徑65 mm，出氣口直徑65 mm，導(dǎo)流罩高度100 mm，厚度2 mm。由于導(dǎo)流罩的主要功效為改變風(fēng)扇空氣流體的流形，且為防止其對散熱器散熱效果的影響，此處設(shè)定導(dǎo)流罩材質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)較低的玻璃材質(zhì)。

風(fēng)扇選取PAPST公司的412FM風(fēng)扇，其功率為0.6 W，轉(zhuǎn)速為4 300 轉(zhuǎn)/min，輪轂直徑為20 mm，外部直徑為40 mm，氣體流量和風(fēng)扇兩端差壓的關(guān)系如1所示，可根據(jù)仿真后的實際差壓計算得出相應(yīng)的氣體流量。

圖1 PAPST風(fēng)扇差壓-氣體流量關(guān)系Fig.1 PAPST’s differential pressure versus gas flow

經(jīng)過仿真優(yōu)化后的風(fēng)扇、導(dǎo)流罩及散熱器組成的系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體外觀Fig.2 System overall appearance

3 數(shù)值分析

3.1 進出口面積相等情況下導(dǎo)流罩內(nèi)徑優(yōu)化

當(dāng)導(dǎo)流罩進出口面積相同時，導(dǎo)流罩可視為一個圓形通道，通過改變導(dǎo)流罩的內(nèi)部直徑，對流體流形進行約束，從而改變散熱器的散熱效果。由于本散熱器的直徑為60 mm，導(dǎo)流罩初始直徑設(shè)為65 mm，初始高度設(shè)為100 mm，內(nèi)部直徑參數(shù)設(shè)置為從65 mm到100 mm，每1 mm進行一次數(shù)值計算。內(nèi)部直徑和溫度分布關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)部直徑-溫度關(guān)系Fig.3 Inside diameter versus temperature

當(dāng)導(dǎo)流罩內(nèi)部直徑從65 mm開始變化時，由于起始設(shè)定的直徑較小，導(dǎo)致出氣口的面積較小，阻礙氣體的流動，所以溫度較高；隨著導(dǎo)流罩內(nèi)徑的增大，到83 mm時，散熱器的換熱效果達到最佳；當(dāng)內(nèi)徑大于83 mm以后，由于內(nèi)徑增大導(dǎo)流罩對流體的約束作用越來越弱，對散熱器換熱效果的影響作用減小，散熱器溫度趨于穩(wěn)定。

3.2 導(dǎo)流罩高度對散熱的影響

在導(dǎo)流罩進出口面積相等的條件下，根據(jù)內(nèi)徑優(yōu)化結(jié)果，設(shè)定導(dǎo)流罩內(nèi)徑為83 mm，再對導(dǎo)流罩的高度進行優(yōu)化分析，導(dǎo)流罩高度參數(shù)變化設(shè)置為從60 mm到110 mm，每變化1 mm進行一次數(shù)值計算。高度和對應(yīng)的溫度變化原始數(shù)據(jù)線如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流罩高度-溫度關(guān)系Fig.4 Shroud’s height versus temperature

由圖可知，當(dāng)導(dǎo)流罩高度低于95 mm時，散熱器溫度隨著高度的增加呈現(xiàn)出一種振蕩現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)流罩高度高于95 mm以后，隨著導(dǎo)流罩高度的增加散熱器的溫度呈現(xiàn)一種振蕩上升趨勢。當(dāng)導(dǎo)流罩的高度為85 mm時，散熱器的溫度最低，散熱效果最佳，此時的散熱器最高溫度值為51.57 ℃。

3.3 導(dǎo)流罩進氣口內(nèi)部直徑對散熱的影響

由以上的優(yōu)化結(jié)果分析可知，當(dāng)導(dǎo)流罩內(nèi)徑為83 mm，高度為85 mm時，強化換熱的效果最佳。由于導(dǎo)流罩組成傾角會影響流體流形，在實際使用中，導(dǎo)流罩進氣口直徑也會對散熱產(chǎn)生影響。由于風(fēng)扇的徑向最大直徑為40 mm，仿真選取的直徑參數(shù)設(shè)定為40 mm～83mm，每1mm進行一次數(shù)值計算，用以分析進氣口直徑對散熱器散熱的影響。散熱器溫度隨進氣口直徑變化的曲線如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流罩進氣口直徑-溫度關(guān)系Fig.5 Shroud’s inlet diameter versus temperature

由圖5可知，當(dāng)進氣口直徑在40 mm～74 mm之間變化時，進氣口直徑變化對散熱效果的影響不明顯，散熱器溫度在53.5 ℃～54.5 ℃之間變動。當(dāng)進氣口直徑大于等于75 mm時，散熱器溫度明顯降低，且基本維持在51.55 ℃～51.65 ℃之間，并在76 mm處達到最低溫度51.56 ℃。

系統(tǒng)溫度分布、內(nèi)部風(fēng)速分布、導(dǎo)流罩內(nèi)壓強分布和散熱器溫度分別如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

由圖8可知，經(jīng)過以上變量的優(yōu)化，風(fēng)扇進出口兩端的差壓小于1 Pa，通過風(fēng)扇的差壓流量表，可以得出系統(tǒng)的氣體流量為0.001 6 m3/s。導(dǎo)流罩主要是對流經(jīng)散熱器流體的流形進行約束，改變流經(jīng)肋片的流體方向和速度，從而改變肋片表面的對流換熱系數(shù)h，最終達到最佳散熱效果。

圖6 風(fēng)扇導(dǎo)流罩熱沉系統(tǒng)溫度分布Fig.6 System’s distribution of temperature

圖7 系統(tǒng)風(fēng)速分布Fig.7 System’s distribution of wind speed

圖8 系統(tǒng)壓強分布Fig.8 System’s distribution of pressure

圖9 散熱器溫度Fig.9 Heat sink’s distribution of temperature

3.4 肋片夾角對散熱的影響

3.4.1 肋片夾角與散熱器溫度關(guān)系

在散熱器肋片尺寸固定的情況下，散熱器的換熱效果主要受對流換熱系數(shù)h的影響。肋片夾角直接決定對流換熱系數(shù)h的大小。肋片夾角參數(shù)與散熱器溫度關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 肋片夾角-溫度關(guān)系Fig.10 Fin’s angle versus temperature

由圖可知，當(dāng)肋片夾角從7.5°增加到9°時，散熱器溫度維持在51.02 ℃～51.56 ℃之間，在9°時達到最低溫度51.02 ℃。

3.4.2 肋片夾角影響熱沉散熱的理論分析

當(dāng)夾角從9°增加到45°的過程中，隨著肋片夾角的增大，肋片間距增大，肋片數(shù)量隨之減少，散熱器的總熱阻為

(6)

式中：n為肋片數(shù)量，同時它也是肋片間距數(shù)量；s為肋片與肋片之間的特征距離此處取肋片之間的中心距離；L為基板特征長度；Hb為散熱器基板厚度；A為散熱器基板面積。由散熱器熱阻公式可以看出，當(dāng)對流換熱系數(shù)h、肋片尺寸、基板特征長度L等變量保持不變時，改變肋片間的夾角可以改變肋片間的特征距離s。

肋片特征間距可設(shè)為

(7)

(8)

4 結(jié)論

本文討論了導(dǎo)流罩在風(fēng)冷條件下對大功率led散熱器散熱效果的影響。通過對導(dǎo)流罩的內(nèi)徑、高度和進氣口直徑以及肋片數(shù)量進行優(yōu)化，得到了較好的散熱效果，最優(yōu)參數(shù)值：導(dǎo)流罩高度85 mm，進氣口直徑76 mm，出氣口直徑83 mm，肋片夾角9°。優(yōu)化后導(dǎo)流罩使散熱器溫度下降了10 ℃左右，散熱效果明顯，同時為大功率LED燈具散熱提供了一種優(yōu)化方案。

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