大功率LED太阳花相变散热器数值优化研究.pdf

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1、第１４卷第２期广州大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．２２０１５年４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ａｐｒ．２０１５文章编号：１６７１４２２９（２０１５）０２００６１０５大功率ＬＥＤ太阳花相变散热器数值优化研究向建化，张春良，陈胜，周超，陈从桂（广州大学机械与电气工程学院，广东广州５１０００６）摘要：随着ＬＥＤ芯片单颗功率和封装集成度的提高，散热问题已成为大功率ＬＥＤ迫切需要解决的问题．文章提出了一种基于相变传热的一体化大功率ＬＥＤ太阳花散热器，利用正交实验和模拟仿真相结合的方法对太阳花散热器进行了优化，分析

2、了中心孔直径和翅片参数的改变对散热器性能的影响．将数值模拟的结果与实测值进行了对比，结果表明：散热器的热性能影响因素从主到次为翅片厚度，数目，高度，中心孔直径，最佳方案最高温度降低了５９４℃，优化后的散热器能够满足２００Ｗ以上集成ＬＥＤ灯的散热要求．关键词：大功率ＬＥＤ；太阳花散热器；数值优化；正交试验中图分类号：ＴＧ５０１．１文献标志码：Ａ随着大功率ＬＥＤ向高集成度和高功率方向发间距、翅片厚度和ＬＥＤ基板材料等参数在不同放展，阻碍大功率ＬＥＤ进一步发展的热控制问题也置角度下进行了数值模拟，结果显示，当铝质翅片日益受到广泛关注．大功率ＬＥＤ芯片的热流密度厚度为１１ｍｍ，间距为７５ｍｍ

3、，高度为３１ｍｍ－２［１］已达到２００Ｗ·ｃｍ以上，散热不良使得ＬＥＤ时，散热器呈９０°放置可实现ＬＥＤ结温在７５℃以芯片温度过高，导致ＬＥＤ各方面的性能均出现衰下，蒸汽腔的散热能力优于铝质ＰＣＢ板，模拟结果［５］减，甚至烧毁．传统的大功率ＬＥＤ系统散热一般是和实验结果保持了较好的一致性．ＣＨＥＮＧ等利利用铝质、铜质或复合材料制造的实体散热器，由用有限元分析法对ＰＣＢ基板上的整体式多翅片散于存在较大的扩散热阻导致散热效率低下，已难以热器在强制对流条件下的情况进行了分析，结果满足功率日益增大的ＬＥＤ散热需求．相变传热与传表明，在没有风扇和翅片的条件下，１ＷＬＥＤ阵列［２］统金属传热相比，传热

4、性能可增强１０倍以上，目的结温达到了１２３９１℃，当采用强制对流冷却后，前已广泛应用于微电子和光电子领域的散热．结温降低到了８２３８℃，散热效果得到了改善．［６］实体铝质金属散热器和相变传热技术应用于ＫＩＭ利用热管对大功率ＬＥＤ阵列进行系统散［７］大功率ＬＥＤ系统散热已被很多研究者关注，但实热．ＬＩＵ提出了一种基于封闭微喷射流的高功率体铝质散热器与相变散热器相比，传热功率较低，ＬＥＤ主动散热方案并进行了模拟优化．热阻较大，适合较低功率的ＬＥＤ灯，但随着ＬＥＤ本文提出将相变传热与翅片散热有机结合在功率的增大，采用相变传热技术作为大功率ＬＥＤ太阳花散热器结构中，使得相变腔体的工质在汽［２］

5、［３］系统散热成为趋势．ＢＬＡＤＩＭＩＲ使用３Ｄ模型化－冷凝循环过程中吸热和放热实现高效传热，模拟了一种微喷射和微通道水冷板对ＬＥＤ的冷却使太阳花底端和顶端的外部翅片达到等温状态．研效果，结果表明，微通道水冷板的热阻比微喷射热究在一定的加热功率下，中心孔直径、翅片的数量、阻低，经过对微通道水冷板结构进行优化，压降和高度以及厚度对散热器传热性能的影响，并利用正［４］水泵功率降低了５０％．ＷＡＮＧ建立了ＬＥＤ射灯交实验和模拟仿真相结合的方法对太阳花散热器在自然对流条件下的散热器模型，通过改变翅片进行了优化，并通过实际测试实验进行了对比．收稿日期：２０１４－１２－２０；修回日期：２０１５－０１－

6、１２基金项目：广东省自然科学基金资助项目（Ｓ２０１３０１００１３４６９，Ｓ２０１１０４０００４１１０，Ｓ２０１２０１０００９５０５）；广东省高校科技创新资助项目（２０１３ＫＪＣＸ０１４３）；广州市属高校科研计划资助项目（２０１２Ａ０８３）．作者简介：向建化（１９７８－），男，副教授，博士．Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｊｈ＠ｇｚｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ６２广州大学学报（自然科学版）第１４卷表１初始结构尺寸表１工作原理及仿真建模Ｔａｂｌｅ１Ｔａｂｌｅｏｆｏｒｉｇｉｎａｌｓｉｚｅ中心孔直径翅片高度翅片厚度翅片数量因素１．１散热器工作原理Ａ／ｍｍＢ／ｍｍＣ／ｍｍＤ／片＃太阳花相变散热器分两大部分，中部为强化

7、１５５１６０３（４．０）３６＃６５１５５２．５（３．５）３２传热部分，周边为散热部分．ＬＥＤ热负荷通过蒸发２＃面传入沸腾结构，沸腾结构内的液态工质受热蒸３７０１４５１．５（２．５）４０＃４６０１５０２（３．０）２８发，吸收热量，蒸汽迅速流动充满整个相变腔体，当蒸汽与冷凝端接触时，迅速凝结并释放汽化潜热，然后冷凝的液态工质通过重力的作用回到蒸发面，如此循环，热量源源不断的从蒸发面传递到冷凝面，然后热量通过散热翅片散发到空气