新型LED熱管散熱器傳熱特性研究

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1、傳熱傳質(zhì)學(xué)編號:123128中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議論文新型LED熱管散熱器傳熱特性研究許智，李炳熙，吳釗(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，能源科學(xué)與工程學(xué)院456信箱，哈爾濱150001)(Tel:0451-86412155,Email:xz413818011@126.com)摘要：本文采川ANSYSICEPAK軟件對新型LED熱管散熱器的傳熱特性進行數(shù)值模擬研究，比較了結(jié)點溫度和熱阻在新型熱管散熱器和傳統(tǒng)散熱器的變化規(guī)律，同時分析新型熱管散熱器翅片間溫度場變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同的功率和表面積條件下，新型熱管散熱器的散熱性能是最優(yōu)的；在相同最高限制結(jié)點溫度的條件下，新型熱管散熱器

2、的表面積是最小的。關(guān)鍵詞：新型熱管散熱器；數(shù)值模擬；結(jié)點溫度；熱阻0前言近些年來，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對照明的需求也越來越高，照明已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ?、學(xué)習(xí)、工作中不町分割的一部分，它與我們息息相關(guān)。國家在大力推進“綠色照明”的同時，也把“照明設(shè)備”列為重點發(fā)展的領(lǐng)域。而LED(LightEmittingDiode)被譽為環(huán)境保護、照明節(jié)能之星，是未來光源的發(fā)展趨勢。從當(dāng)前的科技水平看,LED的發(fā)光效率僅能達到10%—20%〔切，還有80%—90%的能量轉(zhuǎn)換成了熱能，芯片的發(fā)光效率與溫度是密切相關(guān)的，芯片的發(fā)光效率會隨著溫度的上升而明顯的F降，而大功率LED芯片的熱流

3、密度是很人的，如果積聚在LED芯片的熱量不能及時地散發(fā)出去，會增大LED的光衰，使得色溫下降，同時還會加速LED芯片和熒光粉的老化，導(dǎo)致焊點的融化，使芯片失效，這會嚴重影響LED的壽命。大功率LED的散熱問題己經(jīng)成為現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的瓶頸，針對這一問題，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的工作。劉靜等人⑶通過等效電路法對散熱器進行熱阻分析和面積估算，同時川ANSYSICEPAK軟件數(shù)值模擬計算，對散熱器的面積、散熱器的類型以及散熱器的高度進行熱性能分析，得出衣增加散熱器翅片高度的時候?qū)ι崞鞯男阅苡绊懽顬槊黠@。張琦⑷等人用ANSYS軟件對鋁翅片散熱器進行數(shù)值模擬，通過觀察散熱器的溫度場分布，同時

4、分析出影響散熱器性能的因索，得出質(zhì)量是散熱器優(yōu)化的一個重要因索。Bar-Cohenetal.⑸進行垂直板散熱器自然對流冷卻方式的實驗研究，研究翅片兒何參數(shù)對散熱器的性能的影響，幾何參數(shù)包括翅片間距、翅片厚度、翅片高度以及材料屬性。LKim'6'建立了等效熱阻模型并対LED熱管散熱器進行數(shù)值模擬研究，分析了空氣的流速対其熱阻的影響，并分析得出熱管散熱器能夠有效地減小熱阻和降低LED芯片的結(jié)點溫度。孫磊⑺等人対一種基于平板熱管利熱虹吸管的復(fù)合結(jié)構(gòu)熱管散熱器進行數(shù)值模擬，分析熱功率、翅片高度、翅片數(shù)日對其散熱性能的影響，同時研究出翅片高度和翅片數(shù)目存在一個最優(yōu)值，使得散熱器溫度和熱阻最

5、小。本文設(shè)計一種新型熱管散熱器，用ANSYSICEPAK軟件對其進行傳熱特性數(shù)值仿真研究，考察不同加熱功率下新型熱管散熱器和傳統(tǒng)散熱器內(nèi)的結(jié)點溫度和熱阻的變化規(guī)律，同時分析新型熱管散熱器翅片間溫度場變化規(guī)律。1新型熱管散熱器數(shù)值模擬1.1物理模型(a)新型熱管散熱器外形結(jié)構(gòu)圖(b)新型熱管散熱器主視截而圖圖1新型?熱管散熱器模型圖?大空間計算區(qū)域建〕?新型熱管散熱器人/圖2新型熱管散熱器計算區(qū)域模型圖新型熱管散熱器采用壓注或壓鑄工藝一體成型，翅片內(nèi)部為中空腔體做為熱管散熱器的冷凝部分并且與底部基板空腔的蒸發(fā)段連成一體。此新型熱管散熱器的模型包括翅片端B和無翅片端C。其中，無翅片

6、端C接觸芯片即發(fā)熱源，相當(dāng)于熱管散熱器的蒸發(fā)段。翅片端B內(nèi)部為中空口與無翅片端C連通，間隔線性排列沿著遠離熱源的垂直的方向上延伸，相當(dāng)于熱管散熱器的冷凝端。在新型熱管散熱器基板底部受到加熱的時候，基板空腔中的液體受熱蒸發(fā)為氣體,氣體在上升的過程中在翅片端進行放熱,在把熱量傳給翅片的同時氣體在多個翅片的中空腔體內(nèi)冷凝成液體并靠重力作用流回蒸發(fā)段，從而完成一個熱力循環(huán)。模型當(dāng)中的空腔A里的T質(zhì)可以為丙酗。圖1為新型熱管散熱器模型示意圖，圖中W表示基板寬度，大小為55mm；L表示基板和翅片的長度，大小為55mm：Hl表示基板高度，大小為5mm；H2表示翅片高度,大小為45mm；W2表示

7、翅片厚度，人小為5mm,W3表示翅片空腔大小為3mm；W1表示翅片間距，人小為5mm。加熱源的尺寸長度為10mm,寬度為lOnim,加熱源位于新型熱管散熱器的中間，這種対熱源的模擬相當(dāng)于在實際情況下加載在人功率LED路燈新型熱管散熱器下的芯片模組。如圖2所示，本文進行數(shù)值模擬所選取的大空間計算域為0.4mx0.4mx0.4m,散熱器處于大空間計算區(qū)域的底部中間位置處。本文対新型熱管散熱器進行三維建模,在數(shù)值模擬時采用穩(wěn)態(tài)散熱對其進行熱分析o新型熱管散熱器整個空腔部分相當(dāng)丁重力型熱