王金亮 葉仁廣

(1.中國計(jì)量學(xué)院材料與科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.寧波佰仕電器有限公司，浙江 寧波 315470)

基于煙囪效應(yīng)的太陽花型散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王金亮1葉仁廣2

(1.中國計(jì)量學(xué)院材料與科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.寧波佰仕電器有限公司，浙江 寧波 315470)

主要通過引入煙囪效應(yīng)，加強(qiáng)空氣對流，增強(qiáng)太陽花型散熱器的散熱能力。采用ANSYS有限元分析軟件，研究了肋頂直徑、肋底直徑、散熱環(huán)半徑以及厚度等參數(shù)對散熱能力的影響，通過模擬結(jié)果可知，選取合理的參數(shù)能夠適當(dāng)提高散熱器的散熱能力，減小散熱器質(zhì)量，節(jié)約成本。

煙囪效應(yīng)；散熱器；有限元分析法

0 引言

新一代的光源LED因節(jié)能、環(huán)保、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)備受矚目，然而，LED的散熱問題仍制約著該行業(yè)的發(fā)展[1-2]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上[3-4]，基于ANSYS有限元分析法，詳細(xì)研究了煙囪效應(yīng)對于散熱器散熱性能及質(zhì)量的影響，并與同參數(shù)下的普通太陽花型散熱器進(jìn)行比較，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

1 理論與模型建立

基于ANYSY軟件的有限元分析法對散熱器的散熱能力進(jìn)行熱分析。ANSYS軟件是一款專業(yè)的熱分析軟件，可處理3種熱傳遞類型，即熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射。

1.1 理論模型

在三維直角坐標(biāo)系中，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：

(1)

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；qν為發(fā)熱率；τ為時間；cν為比熱容。

鋁為各向同性材料，散熱片體積為V，邊界曲面為S，由于環(huán)境溫度Ta和空氣對流換熱系數(shù)α已知，即散熱片的邊界曲面S滿足第三類邊界條件(在Γ3邊界上)，在第三類邊界條件下式(1)可變?yōu)椋?/p>

(2)

將散熱片離散成n個單元和m個節(jié)點(diǎn)，得方程：

(3)

式中，[C]為比熱容矩陣；[K]為熱傳導(dǎo)矩陣；{Q}為節(jié)點(diǎn)的熱流率矩陣。

由式(3)可求得各節(jié)點(diǎn)的溫度值。

1.2 模型的建立

實(shí)驗(yàn)選取深圳銘翔光電有限公司的功率為15 W的貼片型燈珠。其中，COB芯片直徑為16 mm，厚度為0.6 mm。燈珠基板為鋁基板，尺寸為20 mm×20 mm×1 mm。在ANSYS12.0中建立模型，參數(shù)如表1所示。

根據(jù)一般情況，對散熱器設(shè)定以下約束條件：

(1) 我們選擇CREE公司的藍(lán)光LED芯片，設(shè)定其發(fā)熱率為85%。設(shè)該芯片的產(chǎn)熱率為Q，即：

表1 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

(2) 鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為200 W/(m·K)，密度為2.7×103kg/m3。LED芯片的導(dǎo)熱系數(shù)為130 W/(m·K)。

(3) 環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃，空氣的對流換熱系數(shù)為10 W/(m2· ℃)。

ANSYS軟件下采用穩(wěn)態(tài)模擬，結(jié)果如圖1所示，芯片最高溫度為59.03 ℃。

圖1 散熱器表面溫度分布情況

2 散熱器的優(yōu)化

2.1 對肋底直徑的優(yōu)化

選擇肋頂直徑為64 mm，保持散熱器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，僅改變肋底直徑，分析肋底直徑變化時其散熱能力的變化情況。當(dāng)肋底直徑分別為62.92 mm、68.68 mm、80.2 mm時，散熱器質(zhì)量分別為410 g、421.5 g、445 g，芯片溫度分別為66.99 ℃、63.97 ℃、54.37 ℃。可知，減小肋底直徑，芯片溫度將明顯升高。這是由于底部面積的減小限制了空氣的流入，煙囪效應(yīng)也會相應(yīng)減弱，散熱效果就明顯減弱。

2.2 對散熱環(huán)厚度的優(yōu)化

選擇上述優(yōu)化參數(shù)，保持散熱器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，僅改變散熱環(huán)厚度，分析散熱環(huán)厚度變化時其散熱能力的變化情況。當(dāng)散熱環(huán)厚度分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm時，散熱器質(zhì)量分別為412.4 g、428.5 g、445 g，芯片溫度分別為59.40 ℃、59.49 ℃、59.63 ℃?？芍?，在散熱環(huán)厚度變小的情況下，散熱器質(zhì)量與芯片溫度都相應(yīng)降低，其中散熱器質(zhì)量的下降幅度更是明顯。

2.3 對散熱環(huán)半徑的優(yōu)化

改變散熱器外環(huán)的半徑，分析散熱環(huán)半徑變化時散熱能力的變化情況，得到數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 芯片溫度與散熱器質(zhì)量

由圖2可知，在散熱環(huán)半徑增大時，芯片溫度逐漸降低，但是散熱器質(zhì)量會隨著散熱環(huán)半徑的增大而增加。當(dāng)散熱環(huán)呈曲線型時，空間占用率較小，且更為美觀。

綜上所述，取肋頂直徑64 mm，肋底直徑80.2 mm，散熱環(huán)半徑300 mm，散熱環(huán)厚度1 mm。模擬優(yōu)化后的散熱器，芯片溫度60.1 ℃，散熱器質(zhì)量421.7 g。模擬相同參數(shù)下的太陽花型散熱器，芯片溫度64.59 ℃，散熱器質(zhì)量425.3 g。由上可知，基于煙囪效應(yīng)的散熱器的散熱效果與質(zhì)量都優(yōu)于普通太陽花型散熱器。另外，文章所設(shè)計(jì)的散熱器表面溫度更低，且溫度分布更均勻。在室內(nèi)常溫25 ℃的條件下，實(shí)驗(yàn)使用FLUKE溫度傳感器(精度±0.1 ℃)對優(yōu)化后的散熱器進(jìn)行溫度測量，在散熱器溫度達(dá)到穩(wěn)定時，測得實(shí)際溫度為64.3 ℃，同比于模擬結(jié)果僅相差4.2 ℃。

3 結(jié)語

本文在原有的太陽花型散熱器上引入煙囪效應(yīng)，通過ANSYS有限元分析軟件對散熱器進(jìn)行散熱分析，由分析結(jié)果可知，引入煙囪效應(yīng)后，散熱器的散熱能力略有提升，散熱器總質(zhì)量也略有減少，同時散熱器空間占用率更低，其外觀也更整潔美觀。最后對比實(shí)測溫度與軟件模擬溫度，誤差僅4.2 ℃。

[1]王海鷗，李廣安.認(rèn)識照明LED[J].中國照明電器，2004(2)

[2]白坤，吳禮剛，聶秋華，等.大功率LED筒燈散熱封裝設(shè)計(jì)與分析[J].光學(xué)技術(shù)，2012(3)

[3]張國旺，韓彥軍，羅毅.基于煙囪效應(yīng)的集成封裝半導(dǎo)體照明光源散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].光電器件，2013(5)

[4]李中，李勇，湯應(yīng)戈，等.大功率LED太陽花散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].激光與光電子進(jìn)展，2012(10)

2014-06-09

王金亮(1989—)，男，浙江紹興人，在讀碩士研究生，研究方向：LED分裝。