加装导流罩的大功率LED强化换热特性研究

王志斌, 刘永成, 张 健, 刘丽君, 孔亚楠

(燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004)

引言

大功率LED作为一种新型光源，其耗能低，用电量为传统白炽灯的10%[1]；寿命长，LED灯寿命可达(5～10)×104h；绿色环保，不含重金属等优点[2]。然而大功率LED还存在着发光效率低、光强分布不均、散热量大等问题，阻碍着LED光源的推广。在产热方面，大功率LED近80%的能量转化为热[3-4]，当散热不畅时，会对LED的半导体器件造成不可逆的损伤，导致其光谱红移，使用寿命缩短[5-7]。对于大功率LED散热，鲁祥友等提出了一种回路热管，将散热器的热阻保持在0.48 W～1.47 W之间[8]。罗小兵等提出了一种封闭微喷射流方案，获得了较好的散热效果[9]。寇志海等提出了一种平板热管散热方案，使LED结温保持在了47.9 ℃～59.0 ℃之间[10]。万忠民等提出了一种多孔微热沉，在热流密度为200 W/cm2的情况下，最高温度达到55.2 ℃[11]。

本文在风冷散热的基础上，在散热器与风扇之间加装导流罩，并分析肋片夹角对散热效果的影响，以改变流经散热器的流体流形，达到较好的散热效果。

1 理论阐述

稳态条件下等截面肋片的导热数学模型为

(1)

式中：h为对流换热系数；P为肋片截面周长；Ac为肋片截面面积；λ为肋片导热系数；t为肋片在x处的温度；t∞为环境温度。

令

(2)

式中：δ为肋片厚度；l为肋片长度。

令θ=t-t∞，θ为过余温度，将上述条件代入导热微分方程和其边界条件组成的方程组：

(3)

式中：θ0为肋片根部温度；H为肋片高度。可得到肋片温度分布和实际散热量公式为

(4)

(5)

式中：cosh(x)为双曲余弦函数；tanh(x)为双曲正切函数。

根据肋片换热量(5)式，当散热器肋片形状固定时，给散热器加装风扇、设计导流罩和改变肋片夹角等操作，都是改变肋片的对流换热系数h，通过改变换热系数达到较好的散热效果。

2 系统模型的建立

本文中，散热器的参数：基板厚度5 mm，基板内环直径20 mm，基板外环直径60 mm，肋片厚度1 mm，肋片高度20 mm，肋片长度20 mm。散热器的材质为导热性能和可塑性良好的铝6061。在散热器的底部施加一个20 W的热源，设定环境温度为25 ℃。

导流罩的初始参数：进气口直径65 mm，出气口直径65 mm，导流罩高度100 mm，厚度2 mm。由于导流罩的主要功效为改变风扇空气流体的流形，且为防止其对散热器散热效果的影响，此处设定导流罩材质为导热系数较低的玻璃材质。

风扇选取PAPST公司的412FM风扇，其功率为0.6 W，转速为4 300 转/min，轮毂直径为20 mm，外部直径为40 mm，气体流量和风扇两端差压的关系如1所示，可根据仿真后的实际差压计算得出相应的气体流量。

图1 PAPST风扇差压-气体流量关系Fig.1 PAPST’s differential pressure versus gas flow

经过仿真优化后的风扇、导流罩及散热器组成的系统如图2所示。

图2 系统整体外观Fig.2 System overall appearance

3 数值分析

3.1 进出口面积相等情况下导流罩内径优化

当导流罩进出口面积相同时，导流罩可视为一个圆形通道，通过改变导流罩的内部直径，对流体流形进行约束，从而改变散热器的散热效果。由于本散热器的直径为60 mm，导流罩初始直径设为65 mm，初始高度设为100 mm，内部直径参数设置为从65 mm到100 mm，每1 mm进行一次数值计算。内部直径和温度分布关系图如图3所示。

图3 内部直径-温度关系Fig.3 Inside diameter versus temperature

当导流罩内部直径从65 mm开始变化时，由于起始设定的直径较小，导致出气口的面积较小，阻碍气体的流动，所以温度较高；随着导流罩内径的增大，到83 mm时，散热器的换热效果达到最佳；当内径大于83 mm以后，由于内径增大导流罩对流体的约束作用越来越弱，对散热器换热效果的影响作用减小，散热器温度趋于稳定。

3.2 导流罩高度对散热的影响

在导流罩进出口面积相等的条件下，根据内径优化结果，设定导流罩内径为83 mm，再对导流罩的高度进行优化分析，导流罩高度参数变化设置为从60 mm到110 mm，每变化1 mm进行一次数值计算。高度和对应的温度变化原始数据线如图4所示。

图4 导流罩高度-温度关系Fig.4 Shroud’s height versus temperature

由图可知，当导流罩高度低于95 mm时，散热器温度随着高度的增加呈现出一种振荡现象，当导流罩高度高于95 mm以后，随着导流罩高度的增加散热器的温度呈现一种振荡上升趋势。当导流罩的高度为85 mm时，散热器的温度最低，散热效果最佳，此时的散热器最高温度值为51.57 ℃。

3.3 导流罩进气口内部直径对散热的影响

由以上的优化结果分析可知，当导流罩内径为83 mm，高度为85 mm时，强化换热的效果最佳。由于导流罩组成倾角会影响流体流形，在实际使用中，导流罩进气口直径也会对散热产生影响。由于风扇的径向最大直径为40 mm，仿真选取的直径参数设定为40 mm～83mm，每1mm进行一次数值计算，用以分析进气口直径对散热器散热的影响。散热器温度随进气口直径变化的曲线如图5所示。

图5 导流罩进气口直径-温度关系Fig.5 Shroud’s inlet diameter versus temperature

由图5可知，当进气口直径在40 mm～74 mm之间变化时，进气口直径变化对散热效果的影响不明显，散热器温度在53.5 ℃～54.5 ℃之间变动。当进气口直径大于等于75 mm时，散热器温度明显降低，且基本维持在51.55 ℃～51.65 ℃之间，并在76 mm处达到最低温度51.56 ℃。

系统温度分布、内部风速分布、导流罩内压强分布和散热器温度分别如图6、图7、图8、图9所示。

由图8可知，经过以上变量的优化，风扇进出口两端的差压小于1 Pa，通过风扇的差压流量表，可以得出系统的气体流量为0.001 6 m3/s。导流罩主要是对流经散热器流体的流形进行约束，改变流经肋片的流体方向和速度，从而改变肋片表面的对流换热系数h，最终达到最佳散热效果。

图6 风扇导流罩热沉系统温度分布Fig.6 System’s distribution of temperature

图7 系统风速分布Fig.7 System’s distribution of wind speed

图8 系统压强分布Fig.8 System’s distribution of pressure

图9 散热器温度Fig.9 Heat sink’s distribution of temperature

3.4 肋片夹角对散热的影响

3.4.1 肋片夹角与散热器温度关系

在散热器肋片尺寸固定的情况下，散热器的换热效果主要受对流换热系数h的影响。肋片夹角直接决定对流换热系数h的大小。肋片夹角参数与散热器温度关系曲线如图10所示。

图10 肋片夹角-温度关系Fig.10 Fin’s angle versus temperature

由图可知，当肋片夹角从7.5°增加到9°时，散热器温度维持在51.02 ℃～51.56 ℃之间，在9°时达到最低温度51.02 ℃。

3.4.2 肋片夹角影响热沉散热的理论分析

当夹角从9°增加到45°的过程中，随着肋片夹角的增大，肋片间距增大，肋片数量随之减少，散热器的总热阻为

(6)

式中：n为肋片数量，同时它也是肋片间距数量；s为肋片与肋片之间的特征距离此处取肋片之间的中心距离；L为基板特征长度；Hb为散热器基板厚度；A为散热器基板面积。由散热器热阻公式可以看出，当对流换热系数h、肋片尺寸、基板特征长度L等变量保持不变时，改变肋片间的夹角可以改变肋片间的特征距离s。

肋片特征间距可设为

(7)

(8)

4 结论

本文讨论了导流罩在风冷条件下对大功率led散热器散热效果的影响。通过对导流罩的内径、高度和进气口直径以及肋片数量进行优化，得到了较好的散热效果，最优参数值：导流罩高度85 mm，进气口直径76 mm，出气口直径83 mm，肋片夹角9°。优化后导流罩使散热器温度下降了10 ℃左右，散热效果明显，同时为大功率LED灯具散热提供了一种优化方案。

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