文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123164
自然对流下阵列翅片式散热器的散热特性
赖艳华,魏露露,吕明新,刘存芳
(山东大学能源与动力工程学院,山东济南 250061)
(Tel:**********, Email:******@sdu. )
摘要本文对阵列翅片式散热器在自然对流条件下的换热性能进行实验研究和数值模拟。采用计算流体力学(CFD)方法模拟散热器的换热性能,结果表明平均对流换热系数和热阻随肋片个数的增加而减少;加热功率增加的同时增加水平方向空气的进口风量,进而导致热阻减小,平均对流换热系数增大。根据回归分析法,推导出平均努谢尔特准则关联式。散热器的模拟结果与实验结果基本吻合,表明本文所建立的数学模型来研究散热器的换热特性是可行的。
关键词散热器;数值模拟;场协同理论;换热特性
0 引言
近年来,大功率LED灯技术得到快速发展,与传统照明光源相比,LED灯在结构和性能上都有较大的改进,其节能效果及寿命比白炽灯、节能灯、日光灯高的多,在长期的节电效果和经济性上有巨大优势[1]。但在大功率LED灯中,散热问题一直是制约LED灯普及的瓶颈,如果散热措施不当,大功率LED灯芯片温度会急剧上升,当芯片结温超过150℃,将导致大功率LED灯过热而烧毁[2]。随着集成化、规模化的发展,芯片热流密度越来越大,如果不能将热量及时有效的散发出去,随着功率的不断输入,LED内部热量累积越来越多,直接导致因温度升高产生的热效应显著增加,从而进一步加速芯片和荧光粉的老化,影响电路板、组件及其它相关设备的性能,严重的导致LED寿命的缩短甚至烧毁等一系列的恶果。因此散热问题是大功率LED灯亟需解决的关键问题[3]。
由于成本问题和实际工作环境,自然对流散热仍是大功率LED灯冷却的常用方案。本文研究了阵列翅片式散热器的几何参数、加热功率、辐射率和倾斜角度等重要因素对可用于大功率LED路灯的散热系统的影响,同时基于场协同理论[4],分析了协同角强化散热器的自然对流换热作用。在大空间自然对流条件下分析阵列翅片式散热器的换热性能,构建大功率LED阵列式散热器的物理和数学模型,进行实验研究和数值模拟,得到散热器和外部环境的流场、温度场,得出相关参数与对流换热系数、热阻间的关系,根据回归分析法,推导出平均努谢尔特准则关联式。
1 物理模型
本文研究的阵列翅片式散热器由铝材料制作而成,LED灯芯片位于散热器基板中心位置,整个散热系统置于开放的环境空间内,靠空气自然对流与散热器进行换热。图1为阵列翅片式散热器的几何尺寸,其中L为散热器长度,W为宽度,t为散热器基板厚度,s1为肋片横向间距,s2为肋片纵向间距,d1为肋片宽度,d2为肋片厚度,H为肋片高度。具体物性参数如表1所示。
基金项目:山东大学自主创新基金()
作者简介:赖艳华(1971—),女,副教授,主要从事可再生能源、制冷空调节能技术与强化传热传质的研究。
d2
H
d1
S1
S2
L
W
t
图1 散热器几何尺寸
Diagram of heat sink
表1 物性参数
Material parameters
密度
/kg·m-3
导热系数
/W·m-1·K-1
发射率
比热容
/J·kg