李 斌, 唐瑜梅, 涂 樸

(1.四川文理學院智能制造產業(yè)技術研究院， 四川 達州 635000；2.四川文理學院智能制造學院，四川 達州 635000)

煙囪式LED散熱器的自然對流散熱研究

李 斌1,2, 唐瑜梅2, 涂 樸1,2

(1.四川文理學院智能制造產業(yè)技術研究院， 四川 達州 635000；2.四川文理學院智能制造學院，四川 達州 635000)

圓形LED散熱器是近幾年的研究熱點。我們對一般圓形散熱器和煙囪式散熱器進行了建模，運用有限體積法(FVM)進行了數(shù)值仿真，討論了翅片個數(shù)和煙囪高度對散熱器的影響。仿真結果表明,翅片個數(shù)和煙囪高度均對散熱器的熱性能影響顯著,并存在最優(yōu)的翅片個數(shù)和煙囪高度。通過對兩種散熱器的溫度比較得知煙囪式散熱器可加快散熱,提高換熱效率。對翅片個數(shù)和煙囪高度進行了最優(yōu)化設計，結果顯示優(yōu)化后的煙囪散熱器在熱性能上比原有的圓形散熱器提升了20%。

散熱器；自然對流；煙囪效應；LED；散熱；照明

引言

LED被認為是即將普及的第一代照明光源。 LED燈具的散熱一直以來是其核心技術之一。 以自然對流為主的被動式散熱目前是LED燈具的首選散熱方式。 其中平行翅片式散熱器是最常見的被動式散熱器,主要原因在于其擁有綠色環(huán)保、結構簡易、價格便宜等特點。 同時,對于圓形結構的LED燈具應該由圓形的散熱器進行散熱[1]。傳統(tǒng)的圓形散熱器通常由一個基板、若干翅片和一個用于固定翅片的圓環(huán)組成[2]。

為了強化散熱器的散熱效率,需要對散熱器進行更革新的設計。 強化散熱器的散熱效率有多種方法，比如,使用有孔的翅片;使用泡沫式散熱器;在翅片中添加黃銅等。 M.R.Shaeri[3]等證明了使用有孔的翅片不僅可以提升翅片的散熱效率還可以降低散熱器自身的重量。 C.Byon[4]研究了一種鋁制泡沫式散熱器。 該研究顯示，在同等多孔性條件下鋁制泡沫散熱器比針狀翅片式散熱器更有優(yōu)越性。 T.M.Feng[5]等在同等外部條件下對比了純針狀翅片散熱器和加有黃銅針狀翅片散熱器的散熱性能。 實驗結果證明在雷諾數(shù)為10000的時候,加有黃銅的散熱器比純針狀式散熱器的換熱效率提高了17.0%～78.4%。除了上述的案例,還有其他學者們做了關于強化散熱器換熱效率的研究[6-8]。

前述的散熱強化方式在實踐過程中均有一定的困難,比如加工復雜和成本提升。 因而需要更有效更簡易的方式來提高換熱效率。 本文提出了使用“煙囪效應”來強化散熱。 在圓形散熱器外部附加一圓筒,通過對空氣的聚集來提升翅片周圍的空氣流動速度。 同時,對煙囪到基板的距離進行仿真設計,探究該距離對強化力度的影響。 并對該高度和翅片個數(shù)進行最優(yōu)化設計,從而達到最高的換熱效率。

1 散熱器模型幾何尺寸及計算模型

1.1 散熱器模型幾何尺寸

常見的LED圓形散熱器即為本次研究的仿真模型,如圖1(a)所示。 圓形散熱器由圓形基板、方形翅片、固定翅片的中心圓環(huán)組成。 為了提高散熱器的散熱性能,本文提出了一種改善后的散熱器,如圖1(b)所示。 該散熱器是基于原有的散熱器上在翅片周圍附加了一個圓筒,構成“煙囪”。

散熱器的尺寸基于市場上廣泛應用的產品尺寸。 橫向直徑和高度分別為60 mm和38 mm (翅片高度：Hf=35 mm; 基板高度：Hb=3 mm)。 外部圓筒的厚度為0.5 mm;翅片的長度為14 mm;翅片的厚度為1 mm;翅片個數(shù)N的范圍為15～30; 且每個翅片以均勻的間距分布。 內部圓環(huán)的內直徑為20 mm; 外直徑為32 mm。 煙囪的厚度為1 mm;煙囪底部到基板的距離為煙囪的高度(Hc)，其取值范圍為2～35 mm。 煙囪的頂部與翅片頂端持平;煙囪離基板的距離越大，則煙囪的高度越小。 當距離為35 mm時,則為未改善的散熱器模型。 我們對基板底部進行均勻加熱,模擬LED燈的熱源。 熱源功率的取值范圍為5 W～20 W。 散熱器由6061 T6型號鋁材構成,其傳導率為167 W/(m·K),取鋁的表面發(fā)射率為0.2。

圖1 兩種散熱器模型Fig.1 Two kinds of heat sinks

圖2 仿真模型Fig.2 Numerical model

1.2 計算模型及邊界條件

本次研究采用ANSYS ICEPAK基于有限體積法(FVM)進行數(shù)值仿真。 為了確保求解域的大小對仿真結果無影響,求解域的體積被設置為散熱器整體體積的5倍。 空氣流動為層流、不可壓縮并且具有穩(wěn)定的熱性能。 外部氣壓設置為一個大氣壓(1atm)，周圍溫度設置為20 ℃。 采用HD網(wǎng)格器進行劃分網(wǎng)格來提高求解精度。 網(wǎng)格數(shù)由15 420到186 514區(qū)間進行網(wǎng)格測試,最終選擇溫度沒有太大的變化時取最小網(wǎng)格數(shù)進行求解。 為了模擬自然對流散熱，求解域的頂部及四周設置為opening，底部模擬地面而設置為wall來模擬實際的安裝環(huán)境。 在散熱器底部附上熱源,對散熱器進行均勻地加熱,熱源功率取值范圍為5～20 W。x的方向為重力方向。 熱源外部由膠木材質覆蓋,模擬絕熱條件。 仿真模型如圖2所示。 本文中對溫度進行了無量綱化,其計算公式如下:

式中k是鋁合金的導熱系數(shù),Tavg是散熱器的平均溫度,T∞是周圍的環(huán)境溫度,qw是應用于散熱器底部的平均熱流密度,R是散熱器徑向半徑。

2 計算結果及分析

散熱器翅片對散熱器整體的影響很大。 因此,本文討論了翅片個數(shù)對溫度的影響。 散熱器翅片個數(shù)過小時,散熱面積少,溫度高,散熱效果不理想。 翅片個數(shù)過多時,翅片間的間距減小,空氣流動緩慢,同樣也造成散熱不充分。 所以,翅片的最優(yōu)化設計是學者們研究的熱點。 如圖3所示，翅片個數(shù)為25時,散熱器的溫度最低。 此時得到最優(yōu)的散熱效果。 煙囪的高度對散熱器性能的影響也是本次研究的重點之一。 當煙囪的高度過低，翅片被包圍，空氣受到阻礙不能流入翅片槽中。 當煙囪的高度過高,不能產生“煙囪效應”,散熱性能低下。 因此，煙囪的高度需要得到優(yōu)化設計。 圖4 給出了煙囪高度對散熱器溫度的影響結果。由圖4可知，當煙囪高度為12 mm時，散熱器的溫度最低,此時得到最優(yōu)的煙囪高度。

圖3 翅片個數(shù)對無量綱溫度的影響Fig.3 Effect of fin number on non-dimensional temperature

圖4 煙囪高度對無量綱溫度的影響Fig.4 Effect of chimney height on non-dimensional temperature

圖5給出了在固定功率下兩種散熱器翅片槽內的速度場分布圖。 圖5(a)為煙囪高度為12 mm的煙囪散熱器翅片槽,圖5(b)為未改善的散熱器翅片槽。 經(jīng)過對比兩個速度場分布圖可知煙囪散熱器的熱性能明顯比原有的散熱器熱性能優(yōu)越。在散熱器翅片外圍圍上一個封閉的圓筒，使得空氣能夠聚集并快速地進入翅片槽內，形成“煙囪效應”。沒有圓筒的散熱器翅片槽內的空氣流動均勻,但是流動速度較小。為了評估煙囪效應給兩種散熱器的影響程度，圖6給出了兩種散熱器的溫度分布圖。煙囪的存在明顯地影響了散熱器的熱性能，這與文獻[9]研究的內容相符合。熱源功率由5 W逐漸升高到20 W,兩種散熱器的無量綱溫度也隨之升高，溫差也逐漸增大。熱源功率為5 W時,煙囪散熱器的無量綱溫度為45.8；原有的散熱器無量綱溫度為53.3。熱源功率為20 W時, 煙囪散熱器的無量綱溫度為93；原有的散熱器無量綱溫度為116。計算得知,煙囪散熱器在原有的散熱器基礎上熱性能提升了20%。

圖5 兩種散熱器翅片槽內的速度場分布圖Fig.5 Velocity profiles in fin channels of heat sinks

圖6 煙囪散熱器和無煙囪散熱器的無量綱溫度分布圖Fig.6 Temperature profiles of two kinds of heat sinks

3 結論

通過對兩種散熱器進行建模和自然對流條件下的仿真研究,可得到以下結論：

1) 散熱器翅片過少,散熱面積減少,散熱器溫度升高; 散熱器翅片過多,翅片槽內空氣流動減弱,散熱器溫度也升高。 因此,散熱器存在一個最優(yōu)的翅片個數(shù)。本次研究中散熱器的最優(yōu)個數(shù)為25。

2)在原有散熱器的翅片外圍圍上一個封閉的圓筒, 可形成“煙囪效應”,從而加強散熱器的換熱效率。

3) 圓筒的高度過小,阻礙空氣進入翅片槽, 散熱器換熱效率降低; 圓筒的高度過大, 不能形成“煙囪效應”,散熱器的換熱效率也降低。 因此，存在一個最優(yōu)的煙囪高度。 本次研究中,最優(yōu)的煙囪高度為12 mm。

4) 翅片個數(shù)為25和煙囪高度為12 mm時的煙囪散熱器在換熱效率上比原有的散熱器提升了20%。

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[2] LI B, BYON C. Investigation of natural convection heat transfer around a radial heat sink with a concentric ring, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015,89:159-164.

[3] SHAERI M R, YAGHOUBI M. Thermal enhancement from heat sinks by using perforated fins. Enery Conversion and Management, 2009,50:1264-1270.

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[7] ELSHAFEI E A M. Natural convection heat transfer from a heat sink with hollow/perforated circular pin fins. Energy, 2010,35:2870-2877.

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照明行業(yè)三大基地在北京揭牌

2017年6月7日，由中國照明學會、北京照明學會、中國傳媒大學、北京清控人居光電研究院(以下簡稱“清控光電”)、北京清城同衡照明設計院，北京清城品盛照明研究院攜手共建的照明行業(yè)三大基地——中國半導體照明應用創(chuàng)新中心(籌)、北京照明學會科普教育基地、中國傳媒大學教學科研基地，在清控光電辦公樓新址揭牌。來自北京、上海、深圳、廣州、西安、濟南、南昌、武漢、吉林、昆山、烏蘭察布等多省市的政府部門，以及來自全國照明行業(yè)生產、實施、檢測、研發(fā)等各領域代表近百人參加揭牌儀式。

清控光電榮浩磊院長與大家分享了基地未來發(fā)展規(guī)劃： 基地將以價值展示體驗交流為核心， 先通過周期性的專題活動，將社會需求和行業(yè)價值有效對接，讓具有專業(yè)價值的好產品得到用戶的認可和應用;促進市場進一步向公平有序的方向發(fā)展;最終積累沉淀為共享資源平臺、知識庫、數(shù)據(jù)庫，推動照明行業(yè)價值的全面體現(xiàn)，提升中國照明產業(yè)的產品水平，把中國制造推向世界。

Study on A Chimney LED Heat Sink Subject to Natural Convective Heat Transfer

LI Bin1, 2, TANG Yumei2, TU Pu1, 2

(1.DazhouIndustrialTechnologyInstituteofIntelligentManufacturing,SichuanUniversityofArtsandScience，Dazhou635000,China; 2.Schoolofintelligentmanufacturing,SichuanUniversityofArtsandScience，Dazhou635000,China)

Radial heat sinks are studied frequently recent years. In this study, a general radial heat sink and a new radial heat with a cylinder which named chimney heat sink are investigated. We studied the two kinds of heat sinks by simulation subject to finite volume method(FVM). The effects of fin number and cylinder height on the thermal performance of heat sinks are investigated. The results indicate that cylinder height and fin number affect the thermal performance significantly. There exist an optimal fin number and cylinder height. Radial heat sinks with a cylinder can enhance heat dissipation due to its chimney effect. Optimizations of cylinder height and fin number were done in this work. The optimal chimney heat sink enhances the thermal performance up to 20% by comparing to the previous heat sink.

heat sink; natural convection; chimney effect; LED；heat dissipation; lighting

四川文理學院科研項目資助(項目編號:2016KZ009Y)

TM923

B

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.019