文档介绍：中国工程热物理学会学科类别:传热传质学
学术会议论文编号:123007
大功率LED散热器数值模拟与优化设计
姚泽民,贺高明,李静基金项目:国家自然科学基金(51176053)
(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广州市,510640)
(Tel:020-22236565, Email: ******@scut. )
摘要:针对大功率LED存在的散热问题,设计了一种具有通风窗孔和防尘功能的大功率LED散热器,通过建立三维的散热模型,利用软件Fluent分析了在自然对流的情况下,不同大小的通风孔的对散热器散热性能的影响。分析表明在输入功率为28W时,芯片的温度能够控制在70℃以下,随着开孔增大,芯片温度上升,散热器的质量下降;同时对比分析了辐射传热对LED散热器的散热的影响,结果表明加载了辐射散热模型的情况下,芯片的温度下降了5-6℃,该散热器空气流动性好、质量轻、加工方便,符合大功率LED散热的要求。
关键词:大功率LED ; 数值模拟;翅片;通风孔
0引言
随着LED芯片技术的发展,、2W、5W甚至数十瓦。大功率LED在工作的过程中,由于只有15-20%的电光转换效率[1-2],其余的电能则转换成热量,因此在LED芯片上将产生较高的热流密度[3],LED芯片的温度急速上升,从而导致光效率降低[4-5]、光波发生红移[6]、LED的使用寿命缩短等不良的后果[7],严重情况将导致LED无法正常工作。因此,解决大功率LED散热问题成为了阻碍LED发展与应用的一个重要技术难题。
目前LED散热的主要方式有自然风冷[8-9]、液体制冷[10-11]、半导体热电制冷[12-14]和热管制冷[15-16]等。自然风冷技术是目前普遍采用的一种散热方式,它主要采用增大翅片的散热面积和改善散热器的结构来提高散热性能;自然风冷结构简单、加工方便、但质量笨重。液体制冷技术利用微泵强迫流体流动,强制液冷技术依靠流动的液体可以将LED芯片传递的热量快速带走,但系统结构复杂,维修费用高、可靠性差同时还消耗额外的输入功率。半导体制冷技术利用了半导体冷热差异发电的原理将LED芯片传递的热量移除,该技术系统可靠、寿命长、无噪音,但是目前该技术还不成熟,效率还比较低。热管制冷技术利用工质的相变传热,换热效率高,温差小,散热均匀无“热点”存在,可以有效控制LED芯片的温度,是一种具有应用前景的技术。
本文针对大功率LED存在的散热问题,提出了一种带有通风孔的翅片式散热结构克服了传统翅片散热器质量笨重缺点,同时具有防尘功能,能满足大功率LED散热的要求。本文采用了数值模拟的方法分析了通风窗孔尺寸、流道传热对散热器性能的影响,从而对
LED实现有效散热。
建立散热器的物理模型
LED的PCB板主要通过高导热硅胶与散热器粘结在一起,在工作状态下,芯片产生的热量通过PCB板传递到导热胶、散热器,最后经过散热器表面与空气的接触,以热传导、辐射、对流换热等方式将热量传递到环境中。本文考虑了空气在散热器表面受热的
流动特性、自然通风的特性,由于LED路灯一般安装在户外,本文中LED路灯散热器顶部不外加罩壳,为了防止灰尘、鸟粪等落入散热器积聚而影响散热器性能,因此散热器设计同时考虑了散热的防尘要求,利用P