漢鼎LED路燈廠家：隨著LED技術(shù)的發(fā)展，功率型LED在背光、汽車、戶外照明、商業(yè)照明等領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展。但是目前單顆LED的輸出光通量較低，對于戶外照明，需要將LED集成才 能達到所需的亮度。在LED的光電轉(zhuǎn)化中，只有10%～20%的電能轉(zhuǎn)化為光輸出，其余的轉(zhuǎn)化為熱能，熱量通過LED基板傳導(dǎo)到外部安裝的散熱裝置來進行 散熱。為了保證LED路燈的壽命和可靠性，LED芯片結(jié)溫要控制在120℃以下。LED用于道路照明或隧道照明，要滿足防塵、防水、雷擊、風(fēng)壓等多方面的要求，所以大功率LED路燈散熱器采用自然對流這種冷卻方式最佳。

　　針對大功率LED路燈的散熱難題，國內(nèi)外學(xué)者或制造者在散熱器結(jié)構(gòu)和材料上做了很多工作。劉靜等人-采用等效電路的熱阻法計算了大功率LED照明器 的熱阻，并估算了散熱器的面積，然后利用Icepak軟件進行建模分析，改變散熱器結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，通過分析比較得出翅片高度變化對散熱性能影響最明顯。 張琦等人采用ANSYS有限元軟件對其散熱結(jié)構(gòu)進行了熱分析，分析了鋁制熱沉不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對其溫度場的影響情況。通過模擬優(yōu)化，有效減小了散熱器的質(zhì)量， 優(yōu)化了散熱器的結(jié)構(gòu)。胡紅利等人基于半導(dǎo)體熱電元件和熱管技術(shù)來控制LED燈散熱，并增加一個余熱回收系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件多，影響其工作的穩(wěn)定性。張雪 粉設(shè)計了多種大功率LED散熱器模型，但對各個散熱器在自然對流的模擬分析過程中，對其表面均采用定值平均換熱系數(shù)。雖然計算區(qū)域只有散熱器本身，大大地 簡化了計算量，減少計算時間，方便散熱器設(shè)計，但由于幾何結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，平均換熱系數(shù)必須通過實驗與數(shù)值計算反復(fù)校正才能準(zhǔn)確得到。 L.Dialameh等人對翅片散熱器進行了三維數(shù)值模擬優(yōu)化，分析了不同肋片高度與肋片間距中空氣的速度大小分布情況；在不同的肋高和肋間距下，得出肋 片不同的平均換熱系數(shù)。

　　常規(guī)的50WLED路燈散熱器外形如圖1所示，其體積大，浪費的金屬材料多，成本居高不下，導(dǎo)致大功率LED路燈產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受阻。本文采用Fluent軟件對這種散熱器進行了三維建模分析，研究了散熱器在大空間中自然對流換熱的耦合傳熱問題；研究了散熱器散熱過程 中的溫度場與周圍空氣流動的矢量場，對散熱器的結(jié)構(gòu)進行了改進。

　　

圖1　LED路燈散熱器外形示意圖

　　1　散熱器分析

　　1.1　數(shù)值分析

　　2.1.1.1　計算域

　 　三維物理模型的建立、網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設(shè)立都在Fluent前處理軟件Gambit中進行。模型計算域如圖2所示，基板厚4mm，基板底面 270mm×255mm，肋片厚2mm，中間最大間距為16mm，其余均為12mm，肋片高度從外側(cè)到中間依次為 32，33，33，34，34，35，35，36，36和37mm。

　　

圖2　散熱器數(shù)值計算模型示意圖

　 　為了滿足散熱器自然對流耦合計算的準(zhǔn)確性，空氣流動域必須取得足夠大，大空間才能適用壓力入口邊界條件。但是計算域太大，散熱器周圍又要求足夠密的網(wǎng) 格，會造成劃分的網(wǎng)格太多，計算機資源(內(nèi)存、CPU)不足，計算太慢等問題。所以我們需要將計算域采用多層網(wǎng)格畫法。這樣散熱器和散熱器附近的空氣流動 區(qū)域可以采用較小的網(wǎng)格單元間隔來劃分，離散熱器較遠的空氣流動區(qū)域可以采用疏網(wǎng)格。這樣能減少計算量，縮短計算時間。

　　1.1.2　計算方法

　 　散熱器基板底面不斷地提供熱量，基板和散熱器肋片結(jié)合處為導(dǎo)熱對流換熱的耦合問題，肋片與周圍空氣發(fā)生自然對流換熱。因此，近似地把問題看作是三維、穩(wěn) 態(tài)、常物性、有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱和對流換熱的耦合問題。計算過程中由溫差引起的輻射換熱忽略不計，由于溫差而引起的浮生力作用，在計算中引入了 Boussinesq假設(shè)：1)流體中的粘性耗散項忽略不計；2)除密度外其他物性皆為常數(shù)；3)密度僅考慮動量方程中與體積力有關(guān)的項，其余各項中的密 度作常數(shù)處理。數(shù)值計算時，散熱器和大空間采用整場離散，整場求解方法，把固體和流體中的熱傳遞過程組合起來作為一個統(tǒng)一的傳熱過程來求解。計算區(qū)域采用 有限容積法在同位網(wǎng)格上進行控制方程的離散，κ-ε雙方程模型求解。文獻指出在整場求解時，為了保證固體與流體耦合界面物理上熱流密度的連續(xù)性，固體中的 比熱容采用流體區(qū)中的比熱容之值。求解采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，動量和能量方程中的對流項均采用二階迎風(fēng)格式，壓力項采用PRESTO！格 式。我們做了網(wǎng)格獨立性的考核，其標(biāo)準(zhǔn)是相鄰兩個計算中散熱器肋片上的溫度和周圍的矢量流場的相比值不超過1%。計算收斂的條件選取相鄰兩個迭代步之間的 殘差小于給定量，能量殘差為1×10-6，其余均為0.001。

1.1.3　邊界條件

　　散熱器基板底面假定為等熱流邊界條件，根據(jù)功率和基板底面面積給定。散熱器上的肋片自然對流換熱為耦合計算面，邊界條件的設(shè)置按照壁面函數(shù)法確定。散熱器是在大空間中進行自然對流換熱，該計算域大空間的六個面均設(shè)為壓力入口邊界條件，環(huán)境壓力為一個大氣壓。

　　1.1.4　計算結(jié)果

　 　當(dāng)散熱器的加熱功率為50W，其熱流密度的計算公式如下：q=Q/A，式中，q為熱流密度，Q為熱流量，A為基板底面面積。當(dāng)環(huán)境溫度為23℃時，數(shù)值 計算得到散熱器肋片和基板底面穩(wěn)態(tài)溫度場如圖3、圖4所示。此時散熱器肋片平均溫度為39℃，基板底面最高溫度為53℃。

　

圖3　散熱器肋片溫度分布圖

　　

圖4　散熱器基板底面溫度分布圖

　　1.2　實驗分析

　　為了確保數(shù)值計算所選的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格劃分、計算方法和邊界條件的可靠性，我們做了實驗研究。實驗測量過程在一個不受干擾的封閉空間進行，實驗系統(tǒng)圖如圖5所示。在試驗中，散熱器基板底面覆以電加熱板，用以模擬LED燈組產(chǎn)生的熱量。并在基板與電加熱板間填涂導(dǎo)熱硅脂，隔絕空氣熱阻。電加熱板下方用石棉板絕熱使電加熱板產(chǎn)生的熱量全部由散熱器散出。

　　

圖5　實驗系統(tǒng)示意圖

　 　實驗過程中為了減少對流場的影響，熱電偶從散熱器上方引出。為了測定散熱器主要部分固體表面溫度，在散熱器上總共布置了17個熱電偶測量點。其中1、2 號熱電偶布置在散熱器幾何中心的肋底和肋頂，3、4號熱電偶布置在散熱器中間肋片前端端面上的肋底和肋頂，5、6號熱電偶布置在散熱器從左邊起第三片肋中 間的肋底和肋頂，7、8號熱電偶布置在散熱器從左邊起第三片肋前端端面的肋底和肋頂，9、10號熱電偶布置在散熱器左邊最外側(cè)肋片中間段的肋底和肋頂。 11～17號熱電偶沿著基板底面對稱線上對稱布置。通過穩(wěn)壓器和調(diào)壓器給電加熱板供電，當(dāng)散熱器基板底面最高溫度在10min內(nèi)的變化范圍小于0.5℃左 右時，我們認(rèn)為電加熱板的加熱量和散熱器的散熱量達到平衡。此后采集各個測量點的溫度值。

　　1.3　數(shù)值計算和實驗結(jié)果的對比分析

　 　本文中實驗加熱功率間隔為20W，從30～110W的范圍內(nèi)進行，基板底面最高溫度分別為41、55、67、78和87℃。對應(yīng)的數(shù)值計算基板底面最高 溫度分別為41、53、65、75和88℃。從實驗和數(shù)值計算結(jié)果可以看出隨著加熱功率的提高，散熱器的基板底面最高溫度也隨之提高，成線性變化。實驗結(jié) 果和數(shù)值計算結(jié)果的對比如圖6所示，相對誤差率在1%范圍內(nèi)，說明數(shù)值分析結(jié)果是可靠的。

　　

圖6　實驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比

 

    2　散熱器自然對流過程分析

　 　散熱器自然對流過程中，基板底面不斷地提供熱量，由于散熱器材料良好的導(dǎo)熱性，熱量使散熱器溫度不斷提高。靠近散熱器周圍的空氣受熱，密度變小，與遠離散熱器的空氣形成密度差，產(chǎn)生了浮力。在散熱過程中，數(shù)值計算結(jié)果可以得到在Y-Z面中的速度矢量場如圖7所示?？梢灾庇^地看出空氣因為散熱器的基板底面 在浮力的作用下，擾流冷卻散熱器的時候，空氣直接從散熱器四周往上走，卻不能進入散熱器肋片間對散熱器進行冷卻。在電加熱板的加熱量與散熱器的散熱量平衡 時，散熱器肋片都成了等溫壁面。速度又是由溫度差引起的，速度小導(dǎo)致空氣的浮生力小于粘性力。散熱器周圍的冷空氣從散熱器四周往上運動，到最終混為一起的 時候，在散熱器肋片的上方形成了一個很大的滯流區(qū)域。從圖8　X-Z面的速度矢量圖可以看出在肋片方向上的滯流區(qū)域里的兩端形成了兩個小渦，阻止了周圍空 氣進入散熱器肋片里。又因為在粘性力的作用下，這個滯流區(qū)域里空氣流速非常小，所以在這樣的結(jié)構(gòu)下，散熱器的肋片就沒有充分發(fā)揮出自然對流的散熱效果。

　　3　散熱器結(jié)構(gòu)改進

　 　自然對流的散熱強度不僅取決于流速、溫差和流體物性，還取決于速度場和溫度場的協(xié)同。從數(shù)值計算結(jié)果分析來看，為了提高散熱器的散熱能力，降低基板底面 最高溫度可以有兩種方法：(1)把散熱器做得更大，散熱器體積越大，其熱容量越大，其散熱面積也越大，還等同于降低了單位熱流密度。但缺點是增加成本，浪 費金屬材料；(2)通過改變空氣擾流流場線，讓速度場和溫度場的協(xié)同性更好。把原有散熱器模型加工成如圖9所示，讓空氣在浮力的作用下可以在散熱器中間實 現(xiàn)上下流通，擾流肋片，增大空氣擾流面積。這樣不僅可以破壞散熱器上面的滯流區(qū)域，還增大了空氣流通量，更充分冷卻散熱器。

　　

圖9　散熱器新結(jié)構(gòu)示意圖

　 　為了分析新結(jié)構(gòu)散熱器的散熱能力，對比實驗驗證了數(shù)值計算可靠性，所以我們采用同樣的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格劃分、計算方法和邊界條件來數(shù)值計算分析，這樣省 時，高效，成本低。計算結(jié)果顯示散熱器新結(jié)構(gòu)的基板底面溫度分布圖如圖10所示。在相同功率下，雖然基板底面受熱面積有所減小，底面單位熱流密度有所增 加。但是散熱器的基板底面最高溫度依然比原模型降低了5℃。肋片平均換熱系數(shù)也由5.1W/(m2·K)提高為6.0W/(m2·K)。從X-Z面，Y- Z面上的速度矢量圖11、12可以看出新結(jié)構(gòu)在散熱器中間實現(xiàn)了空氣上下流通，增加了空氣的流通量，受熱空氣擾流散熱器中部肋片時的最大速度也只有 0.9m/s左右，這種新結(jié)構(gòu)下，當(dāng)工作環(huán)境在有風(fēng)的條件下，更會強化換熱效果，使散熱效果更佳。這種新結(jié)構(gòu)加工程序簡單，減輕了散熱器的重量和總的金屬 消耗量，也方便于自動化生產(chǎn)及安裝。

　　4　結(jié)論

　　本文運用Fluent軟件對大功率LED路 燈散熱器在大空間中自然對流冷卻進行了耦合數(shù)值計算。對其散熱過程進行了分析，得出了如下結(jié)論：(1)數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，說明本文計算方法 的可靠性；(2)數(shù)值計算比實驗?zāi)芨?、更科學(xué)、更方便地分析散熱器的散熱過程；(3)本文設(shè)計的散熱器新結(jié)構(gòu)，讓空氣在散熱器中間實現(xiàn)上下流通，增加空 氣流通量，降低了基板底面溫度，提高了肋片平均換熱系數(shù)；(4)底面加工間距對散熱器散熱能力有顯著影響。（來源：重慶大學(xué)動力工程學(xué)院）
 

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