曹玉春，陈亚飞，周慧慧，陈其超

（常州大学 热能与动力工程系，常州 213016）

0 引言

Light-Emitting Diode（LED），是一种注入电致发光器件，以其耗电量少、寿命长、响应速度快、体积小、无污染、易集成化等优点[1]，已被广泛应用于各种电子产品显示屏的背光源，汽车前大灯以及城市道路照明等领域[2,3]。目前LED只能将10%-15%的输入功率转化为光能，其余的均以非辐射形式转化为热能[4]。随着芯片发光效率和功率的大幅提高，LED结温不断上升，引起应力分布不均、发光效率降低、荧光粉转换效率下降等一系列问题，大大降低了LED使用寿命[5]，因此合理优化高功率LED散热结构至关重要。Park[6]等在太阳花式热沉的周围加装空心圆柱体，使整个灯具系统的的散热性能提高了43%。Jang[7]等以降低灯具热阻和重量为目的，提出了三维烟囱流的热沉模式，采用高度不均的翅片形式，使得在整体重量保持不变的基础上散热性能提高了45%。廖绍凯[8]等提出优化散热片面积，有效降低芯片结温。王长宏[9]等基于有限元分析，采用控制变量法对方形散热器的结构参数进行优化达到最佳散热状态。

本文采用Ansys Icepak软件针对96W LED工矿灯进行温度场模拟和分析，以芯片结温最低化作为优化目标，分别从翅片厚度、翅片个数、翅片高度以及空心圆柱厚度四个角度对太阳花式散热热沉的结构进行优化计算，从而达到对该类型工矿灯增强散热效果的目的。

1 散热模型的建立与模拟分析

1.1 模型建立

LED模型分为四个主体部分：灯罩、芯片、基板、太阳花式热沉。研究太阳花式的热沉结构对温度的影响，采用SolidWorks建模时，将基板作为发热元件，省去数量多且尺寸小的芯片，可大大减少网格划分数量以及求解计算量。同时省略了LED封装的扩散罩、导线、导热胶、孔洞、倒角对散热效果的影响。图1为灯具结构图。表1为太阳花式热沉的结构尺寸。

图1 LED模型的结构

1.2 网格划分

将建好的三维图通过DM导入到Icepak软件，根据表2设置各材料参数。灯具总功率为96W，光转换效率为20%[10]，因此基板总热耗为76.8W。由于热模型均为DM导入的异形CAD体，选择六面体占优网格（Mesher-HD）根据模型尺寸进行网格划分并通过相应的标准检查网格质量。

表1 太阳花式热沉的结构尺寸

1.3 求解设置

一般LED工矿灯工作时间较长，多数处于稳态，因此计算时设置为稳态热分析。灯具靠做自然冷却进行散热，计算区域（Cabinet）需足够大使得远场处各种变量的梯度足够小，才能保证计算的精度。在热模型的上部设置至少2倍的特征尺寸空间，四周至少0.5倍特征尺寸空间，下部至少1倍特征尺寸空间，设置计算域的各个外边界设置为开放（Opening），其计算域的示意图如图2所示。考虑到空气密度受温度影响，引入Boussinesq approximation（布辛涅司克近似）假设。

针对LED散热模型，其控制方程如下：质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中u为x轴速度分量，υ为y轴速度分量，w为z轴速度分量。Cp为定热容，k是导热率数。

边界条件：1）工矿灯工作环境温度为30℃，压力为大气压；2）瑞利数＞109，选择湍流模型进行计算；3）根据基板热耗设定热流边界；4）芯片、基板与散热器之间接触良好。

接着进行求解计算和后处理显示，基板和翅片的温度分布如图3所示。然后采用控制变量法，分别对翅片厚度δ、翅片个数N、翅片高度H以及空心圆柱直径d各参数选取不同的值进行数值模拟，得出芯片结温与各参数的拟合曲线图[11]。

表2 LED各材料参数

图2 LED计算区域

图3 基板与翅片的温度分布

2 模型优化

2.1 翅片厚度对散热效果的影响

在保持其他条件不变的情况下，改变太阳花散热器翅片的厚度，变化范围为0.6～2.1mm，每隔3mm取一个值。得到芯片最高温T随着翅片厚度δ变化的拟合曲线图，如图4所示。

由图4可以看出当δ变化范围为0.6～1.2mm时，T呈下降趋势，这是由于随着翅片厚度的增加，散热面积增大，有利于散热；当δ变化范围为1.2～2.1mm时，虽然散热面积在增大，但温度却呈上升趋势。这是由于翅片厚度的增大并不能有效的增加散热面积，而且大大增加了散热器的重量，加大制造成本，同时随着翅片厚度的增加，翅片间距减小，不利于空气流通。根据经验值翅片厚度不低于1mm的前提下，尽量减小翅片厚度以降低成本，翅片厚度选取1.2mm最为合适。图5为翅片厚度取1.2mm时，基板和翅片的温度分布图。

图4 δ对T的影响

图5 δ为1.2mm时的温度场

2.2 翅片个数对散热效果的影响

保持其他条件不变并使得翅片厚度为1.2mm，变化太阳花散热器翅片的个数，其变化范围为50～55，每隔一个取一个值。得到芯片最高温T随着翅片个数N变化的拟合曲线图，如图6所示。

图6 N对T的影响

由图可以看出随着N的增加，T总体呈下降趋势，这是由于随着翅片个数的增加，散热器的面积得到有效增加，有利于热量散发到外部环境。但是由于受到制作工艺的制约，翅片个数不可能无限增大，同时翅片个数过多，就会增加翅片与翅片间的空气阻力，使得对流不能充分进行，散热效果变差，这也是当N大于53时，温度下降趋势略有减缓的原因。因此翅片个数选取53最为合适。

2.3 翅片高度对散热效果的影响

保持其他条件不变并使得翅片厚度为1.2mm，翅片个数为5 3，变化翅片高度，其变化范围为46.5～66.5mm，每隔4mm取一个值。得到芯片最高温随着翅片高度变化的拟合曲线，如图7所示。

图7 H对芯片温度的影响

由图可以看出随着H的增大，T呈下降趋势，在保证材料消耗量最少的情况下（翅片高度最小）保证芯片最高温度不超过75℃，选取翅片高度为62.5mm最为合适。

2.4 空心圆柱厚度对散热效果的影响

太阳花散热器的空心圆柱内部装有尺寸固定的驱动器，所以内圆柱直径（39mm）的大小无法改变，只能对外圆柱直径进行尺寸的优化。

保持其他条件不变并使得翅片厚度为1.2mm，翅片个数为53，翅片高度为62.5mm，通过改变太阳花散热器空心圆柱的厚度来改变外圆柱直径的大小。根据制作工艺经验值，空心圆柱的厚度不能低于1mm。又由于受到重量的限制，不能无限增大厚度。因此选取空心圆柱厚度d变化范围为1.1～2.1mm，每隔2mm取一个值，如表3为芯片最高温度T与空心圆柱厚度d的对应关系。

表3 芯片最高温度与空心圆柱厚度的对应关系

由表2可以看出随着空心圆柱厚度的增大，芯片最高温度减小，这是由于厚度的增大使得散热面积面积增大，加强散热。但下降趋势并不明显。比较为1.1mm和2.1mm分别对应的温度，空心圆柱厚度相差1mm，增加了91%，而芯片温度之差只有0.347℃，仅仅降低了0.46%。因此空心圆柱厚度的改变不但没有使温度有明显的改变，而且增加了器件重量，加大了材料的消耗，提高了制作成本，为了保证芯片最高温度不高于75℃，因此选取空心圆柱厚度为1.5mm最为合适。

3 验证分析

图9是太阳花散热器结构优化后的模拟结果，利用探针分别测量灯具的灯罩表面温度、翅片与基板接触点的温度以及翅片尾端的温度。对照优化后的模型尺寸对96W LED工矿灯的太阳花式热沉进行制作（如图10），将制好的LED置于30℃的恒温试验箱中，通以220V的电压，待LED温度稳定后，利用激光测温枪（测试量程为-32-380℃，分辨率0.1℃）分别测量相对应的位置，表4是模拟结果与实验结果温度的对比。

图8 LED整体温度分布

由表4可以看出，对于不同位置的温度测试，其测试结果与模拟结果均存在一定的误差，一是由于模型的简化（扩散罩、导热胶、孔洞、倒角、接线盒的简化）与热阻的忽略（散热器与基板接触面的空气热阻）所导致的；二由于用基板代替芯片作为热源，忽略了芯片与芯片之间的热耦合现象；三由于激光测温枪的测量精度相对比较低。但误差都在允许范围内，因此可以忽略以上因素带来的误差，从而减少了建模和模拟过程中的难度。所以以上方案的优化与模拟基本反映了该工矿灯的真实温度分布。

图9 优化后的LED工矿灯

表4 温度测试结果及对比

4 结论

高功率、高亮度、小尺寸是LED的发展方向，因此散热问题变得至关重要，而其散热性能在很大程度上受到外部热沉的影响。针对一款96W高功率LED的工矿灯进行散热模拟优化。主要通过优化太阳花式热沉的结构参数，以降低芯片结温为目的提高灯具散热性能。结果表明：翅片厚度为1.2mm、翅片个数为53、翅片高度为62.5mm、空心圆柱厚度为1.5mm时达到最佳散热状态，此时芯片最高温为74.9931℃，相对于原始设计降低了4.0985℃。并对灯具具有代表性的位置进行温度测试，其测试结果与仿真结果基本一致，验证了该优化方案的可行性。

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