李 斌 熊 倫 唐瑜梅 涂 樸1,

(1.四川文理學(xué)院達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，四川 達(dá)州 635000； 2.四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

LED(light emitting diode)是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱(chēng)，由于其出色的電光轉(zhuǎn)換效率, 被認(rèn)為是即將普及的第四代照明光源[1]. 為達(dá)到更高的光照強(qiáng)度, LED芯片的集成密度越來(lái)越高，隨之而來(lái)的是芯片熱流密度快速上升, 嚴(yán)重影響了LED元件的發(fā)光性能和使用壽命, 為大功率照明LED的普及帶來(lái)了障礙. LED以自然對(duì)流散熱為主是因?yàn)槠鋼碛袚Q熱效率高、簡(jiǎn)單和便宜的特點(diǎn). 由于燈具的設(shè)計(jì)不同, 自然對(duì)流散熱器的種類(lèi)也隨之變化. 根據(jù)翅片的種類(lèi)劃分,常用的散熱器可劃分為平板翅片式和針形翅片式. 根據(jù)翅片分布方向劃分, 常用的散熱器可劃分為方形式和圓形式.

圓形式散熱器是最近幾年的研究熱點(diǎn). Li等[2]研究了中部有圓環(huán)的圓形散熱器, 該散熱器的熱源位于基板底部, 對(duì)平板翅片進(jìn)行了參數(shù)分析. Daeseok Jang等[3]在自然對(duì)流條件下對(duì)熱源位于基板底部的針形翅片散熱器進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì).他們的研究結(jié)果表明,針形翅片平行分布的散熱器在熱性能上與平板翅片散熱器相當(dāng)，但是在重量上比平板翅片散熱器輕了30%．如果對(duì)針形翅片進(jìn)行錯(cuò)位排列,其熱性能更好. Yu等[4]進(jìn)行了CFD(computational fluid dynamics)建模，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)三種板式翅片不同分布的散熱器進(jìn)行了熱性能比較. Seung-Jae Park等[5]提出了新型的圓形散熱器, 對(duì)散熱器的翅片以及散熱器本身的安裝角度進(jìn)行了分析, 并發(fā)現(xiàn)方向性對(duì)散熱器的熱性能有著顯著的影響. 前述的圓形散熱器研究都是基于熱源位于基板底部或者翅片中間的圓環(huán)面. 而Joo等[6]研究了熱源位于外部, 翅片位于內(nèi)部型圓筒散熱器, 對(duì)該類(lèi)型散熱器的平板翅片進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì), 給出了最優(yōu)化方程.

翅片位于內(nèi)部型圓筒散熱器能有效地提高換熱效率.Joo等在設(shè)計(jì)圓筒型散熱器的時(shí)候只考慮了平板式翅片, 并沒(méi)有考慮針形翅片. 針形翅片在滿(mǎn)足散熱要求的情況下可以減輕LED燈具的整體重量. 因此本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，對(duì)針形翅片散熱器進(jìn)行了仿真分析并對(duì)比了同樣條件下針形翅片散熱器與平板翅片散熱器的熱性能. 研究了針形翅片的高度對(duì)散熱器散熱的影響，討論了翅片個(gè)數(shù)對(duì)散熱器整體重量的影響.

符號(hào)表Nomenclature

Q：熱源功率，W

ε：發(fā)射率，無(wú)量綱

N: 翅片在豎直方向的個(gè)數(shù)，無(wú)量綱

k：散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

L：翅片的長(zhǎng)度，mm

H：高度，mm

t：翅片的厚度，mm

D: 散熱器的直徑，mm

T：溫度，K

腳標(biāo)subscripts

max：最大的 (maximum)

o：外部 (outer)

f：散熱器翅片(fin)

i：內(nèi)部 (inner)

plate：平板式

pin：針形

al：鋁合金

1 散熱器模型建立

翅片內(nèi)分布的圓筒散熱器由圓筒和翅片兩部分組成. 本文以平板翅片和針形翅片兩種類(lèi)型作為研究對(duì)象．圖1為平板翅片散熱器，圖2為針形翅片散熱器.

圖1 平板翅片散熱器((a)散熱器結(jié)構(gòu)圖；(b)平板翅片放大圖)

圖1(a)和圖2(a)為兩種散熱器的整體結(jié)構(gòu)圖, 散熱器的高度H為80 mm，圓筒的內(nèi)直徑Di為50 mm，圓筒的外直徑Do為60 mm. 圖1(b)為平板翅片的放大圖, 翅片的高度與散熱器的高度保持一致, 長(zhǎng)度L為10 mm，翅片厚度t為2 mm. 圖2(b)為針形翅片的放大圖， 每個(gè)針形翅片的高度為Hf為2 mm，長(zhǎng)度為10 mm，厚度為2 mm. 兩種散熱器的材質(zhì)均采用市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的6061-T6型鋁合金. 其密度為2 700 kg/m2，熱傳導(dǎo)率k為167 W/(m·K)，比熱為896 J/(kg·K)，散熱器的表面輻射發(fā)射率為0.8.

圖2 針形翅片散熱器((a)散熱器結(jié)構(gòu)圖；(b)針形翅片放大圖)

2 數(shù)值仿真模擬

本文對(duì)散熱器進(jìn)行3D建模后，采用有限體積法(FVM)進(jìn)行自然對(duì)流分析. 為了確保求解域的大小對(duì)仿真結(jié)果無(wú)影響, 求解域的體積被設(shè)置為散熱器整體體積的5倍. 采用HD網(wǎng)格器進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格數(shù)由57 621到32 584區(qū)間進(jìn)行網(wǎng)格測(cè)試, 最終選擇溫度沒(méi)有變化時(shí)的最小網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行求解. 模擬自然對(duì)流散熱, 求解域的頂部及四周設(shè)置為opening, 底部模擬地面而設(shè)置為wall. 在圓筒外部附上熱源, 對(duì)散熱器進(jìn)行均勻地加熱, 熱源功率取值范圍為5～20 W. 熱源外部由膠木材質(zhì)覆蓋, 模擬絕熱條件. 圓筒的豎直方向由上而下為重力方向, 求解域內(nèi)空氣溫度設(shè)置為20 ℃. 本次研究用翅片的總高度與散熱器高度的比例系數(shù)φ來(lái)表示翅片在豎直方向占有的比例:

(1)

其中，N為針形翅片豎直方向的排列個(gè)數(shù)，Hf為單個(gè)針形翅片的高度，H為散熱器圓筒的高度. 表1陳列了針形翅片散熱器在豎直方向的排列個(gè)數(shù)N的范圍為：12～30. 當(dāng)φ=1時(shí),NHf為80 mm,即為平板式翅片散熱器.仿真模擬中涉及到的控制方程如下：

連續(xù)方程：

(2)

動(dòng)量方程：

2u,

(3)

(4)

(5)

能源方程：

2T+S,

(6)

其中能源方程中的S是輻射散熱量, 采用離散坐標(biāo)法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算[8].

表1 各散熱器翅片高度與散熱器總高度的比例系數(shù)

3 結(jié)果分析

圖3給出了平板式翅片散熱器在功率為20 W條件下的溫度分布圖. 由圖可見(jiàn)， 圓筒型散熱器上面部分的溫度高于下面部分的溫度：由上而下, 溫度逐漸降低. 圖4給出了造成該現(xiàn)象的合理解釋. 因?yàn)樵诔崞獠扛郊右粋€(gè)圓筒可形成“煙囪效應(yīng)”[7], “煙囪”下面部分的空氣流動(dòng)速度比上面部分大, 此圓筒型散熱器正好具有該特點(diǎn). 圖4(a)為N=20的針形翅片散熱器速度場(chǎng)分布圖, 圖4(b)為N=5的針形翅片散熱器速度場(chǎng)分布圖. 由兩個(gè)速度場(chǎng)分布圖可知, 豎直方向針形翅片個(gè)數(shù)越多, 圓筒內(nèi)部空氣流動(dòng)速度越大.

圖3 平板式翅片散熱器在功率為20 W條件下的溫度分布圖

圖4 散熱器內(nèi)部空氣流動(dòng)的速度分布圖((a)N=20；(b)N=5)

圖5給出了不同功率下板式翅片散熱器和針形翅片散熱器(N=30)最高溫度曲線(xiàn)圖.由圖可見(jiàn), 兩種散熱器的溫度曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致, 散熱器的最高溫度隨功率的增加而增加.由此可知, 豎直方向針形翅片個(gè)數(shù)較多的散熱器與平板翅片散熱器的熱性能相近. 圖6給出了在功率為20 W的固定條件下散熱器最高溫度隨比例系數(shù)的變化圖. 通過(guò)仿真的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn), 散熱器的最高溫度隨比例系數(shù)的增加而降低. 針形翅片個(gè)數(shù)越多, 散熱器的最高溫度越小. 這是因?yàn)閳A筒內(nèi)自然對(duì)流散熱面積越大, 空氣流動(dòng)的速度越大，從而帶走的熱量越多. 這個(gè)結(jié)論與圖4顯示的結(jié)果一致. 然而0.625≤φ≤1.0時(shí), 散熱器的溫度曲線(xiàn)走勢(shì)趨于水平. 由此可知, 該階段下的散熱器溫度變化不顯著. 當(dāng)φ為0.625時(shí), 由公式(1)可得知N為25. 針形翅片的質(zhì)量與平板式翅片的質(zhì)量比例系數(shù)由θ來(lái)表示, 如下：

(7)

這里的V為體積,ρ為密度. 當(dāng)高度比例系數(shù)φ為0.625時(shí),N為25. 可計(jì)算得出此時(shí)針形翅片的總質(zhì)量為板式翅片總質(zhì)量的62.5%, 減少量為37.5%.

圖5 平板翅片散熱器和針型翅片散熱器的溫度曲線(xiàn)圖

圖6 不同高度比例系數(shù)下最高溫度曲線(xiàn)圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種散熱器進(jìn)行建模和自然對(duì)流條件下的仿真研究, 可得到以下結(jié)論：

(1)豎直方向針形翅片個(gè)數(shù)過(guò)少時(shí), 圓筒內(nèi)空氣流動(dòng)速度減弱.

(2)數(shù)值方向個(gè)數(shù)較多的針形翅片散熱器溫度曲線(xiàn)走勢(shì)與板式翅片散熱器的基本一致.

(3)比例系數(shù)大于等于0.625時(shí)兩種類(lèi)型翅片的散熱器在熱性能上沒(méi)有顯著的區(qū)別; 比例系數(shù)小于0.625時(shí)平板式翅片散熱器優(yōu)勝于針形翅片散熱器.

(4)比較兩種散熱器, 比例系數(shù)為0.625時(shí)為最優(yōu). 此時(shí), 翅片的總重量減少37.5%.

本文選定的研究對(duì)象是一款具有代表性的圓筒形LED燈散熱器,采用的研究方法和所得的數(shù)據(jù)具有可靠性、適用性，為L(zhǎng)ED燈同種產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)提供有力的參考.