多排阵列大功率LED的ICEPAK热分析

摘 要： LED照明灯具由于本身体积小功率大，在工作时释放大量热量，影响其发光效率和使用寿命，散热问题一直是LED照明灯具的一个棘手问题。因此使用专门的热分析软件ANSYS Icepak对大功率LED照明灯具的散热问题进行探讨。通过数值模拟，探讨模型内的温度、速度和压力分布，以及基板的温度和压力云图，结果得出在初始风扇风速为0.005 kg/s，翅片厚度为0.018 m，翅片行间距为0.014 m时，LED关键元件基板的最高温度约为81.30 ℃，并得出风扇中心截面的温度、压力及速度的分布云图，以及该截面[y]方向中心线上的温度、压力及速度的变化曲线，反映了多排阵列大功率LED工作时的散热情况。

关键词： LED照明灯具； 多排阵列； Icepak； 数值模拟； 热分析

中图分类号： TN312+.8?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）07?0138?04

Abstract： The LED lighting lamps release great heat while working due to its small size and large power， which affects on the luminous efficiency and service life， so the heat dissipation problem is a thorny issue of LED lighting lamps all the time. The heat dissipation problem of high?power LED lighting lamps is discussed with thermal analysis software ANSYS Icepak. The temperature， velocity and pressure distribution in the model， and temperature and pressure contours of the substrate are discussed by means of numerical simulation. When the original fan flow rate is 0.005 kg/s， fin thickness is 0.018 m and fin row?space is 0.014 m， the highest temperature of LED′s key element substrate is about 81.30 ℃. The temperature， pressure and velocity contours of the fans center section， as well as the temperature， pressure and velocity change curves of the center line along [y] direction are obtained， which reflect the heat dissipation situation of the multi?row array high?power LED while working.

Keywords： LED lighting lamp； multi?row array； Icepak； numerical simulation； thermal analysis

0 引 言

大功率LED以其体积小、效率高、寿命长、节能、环保等特点受到国内外研究者的青睐。随着LED芯片的输入功率不断增大，LED的热量累积越来越多，由于温度升高而产生的热效应逐渐明显，从而影响到LED的使用寿命和可靠性。因此，对大功率LED进行合理的热设计，提高其散热能力成为亟待解决的关键技术之一[1]。

文献 [2?5]使用有限元软件对大功率LED进行散热设计与仿真分析，对散热片、铜基板、氧化铝层等元件的材料、厚度及翅片疏密程度进行优化。聂宇宏等通过实验和数值模拟[6]，研究了不同功率下家用LED灯翅片散热器内的温度分布、表面传热系数等换热性能。文献[7?9]从改进LED结构角度来解决散热问题。指出采用导热性能优良的封装材料是提高散热效率的重要途径，并对密封材料，键合材料，散热基板对散热的影响作了详细的分析。戴炜峰等用有限元法对大功率LED从启动到稳定工作状态过程中，器件的瞬态温度场、热应变和应力等进行了研究，并与实验结果进行对比分析[10]。

因此，本文使用Icepak软件对多排阵列大功率LED照明灯具的散热问题进行数值模拟，研究了模型内的温度、速度和压力分布以及基板的温度和压力云图，为LED灯具的设计提供了参考与建议。

1 数学物理模型

1.1 问题描述

多排阵列大功率LED照明灯具包含34个LED热源（密封在1个腔体内），1块基板，34个翅片，3个风扇和1个自由开孔。翅片和基板用铝挤压型材，每个风扇质量流量为0.005 kg/s，每个热源功率为10 W，翅片的厚度为0.018 m，[y]方向翅片的行间距为0.014 m，腔体的传热系数为15 W/（m2・K）。根据设计目标，当环境温度为20 ℃时，设备的基板温度[6]不超过90 ℃。

1.2.3 边界条件

（1） 环境属性：环境温度设为20 ℃，压力是101 325 Pa；

（2） 冷却剂属性：冷却剂是空气，密度是1.225 kg/m3；

（3） 出口温度设为环境温度，为自由开口；流动方向为沿法线方向流出；

（4） 翅片和基板的材料均为铝挤压型材，密度是2 800.0 kg/m3，比热是900 J/（kg・K），电导率是205.0 W/（m・K），传导性是各向同性；

（5） 机柜为固体壁面；腔体的所有壁面均为光滑固定平面，传热系数是15 W/（m2・K）；

（6） 松弛系数的设置为压力、动量、温度、粘度、质量力，其对应的数值分别为0.3，0.7，1.0，1.0，1.0。

1.2.4 评价指标

由于温度升高使元件所受的热应力增大，当热应力超过材料的屈服强度时材料就会失效，致使元件的性能下降。所以本文以系统内最高温度作为评价翅片式散热器可靠性的指标：相同条件下，改变有效参数，系统内最高温度较低的可靠性较高。

1.2.5 网格划分与无关性考核

采用六面体非结构化网格类型划分网格。设置最大网格尺寸为0.005 m，最小网格尺寸为0.000 5 m，并对热源和翅片进行网格加密，如图2所示。最终得到网格数量为335 720个。

下面对网格进行考核。分别改变网格最大划分尺寸为0.008 m，0.005 m，0.004 5 m，0.004 m，其他尺寸不变，得到网格数量分别为248 552，335 720，443 895，678 482时，相应的基板最高温度分别是83.75 ℃，81.30 ℃，79.87 ℃，78.65 ℃，得出基板温度随网格数量的变化关系，如图2（c）所示。图2（c）显示，随着网格数量的增多，基板温度从83.75 ℃依次减小到81.30 ℃，79.87 ℃，78.65 ℃，温度变化率分别为2.93%，1.76%，1.53%，考虑到计算精度和减小工作量，选择网格数量为335 720时的网格尺寸进行仿真研究。

2 结果分析与讨论

检查气流，得到雷诺数为6 919.76，选择Realized two equation湍流模型进行计算。取翅片区域的风扇中心截面[z=]0.045 m处的温度云图、压力云图和速度云图进行分析，如图3所示。并得出该截面中间风扇的[y]方向中心线上的温度、压力及速度沿[y]正向位置的变化，如图4所示。然后分析影响LED散热的关键元件基板的温度分布，以及基板紧贴热源一侧的[y]方向中心线上温度沿[y]正向位置的变化关系，如图5所示。

压力、速度变化关系

图4是中间风扇中心线的温度、压力、速度随y向位置的变化关系。图4（a）显示温度沿y向呈阶跃起伏式升高，这主要是因为空气在流动过程中遇到翅片，阻碍气体的流动，影响散热。图4（b）显示沿y向压力先迅速增大，接着迅速降低后基本趋于稳定。这是因为靠近风扇处气流速度较大使压力迅速增大，接着气流遇到翅片的阻碍，压力降低，气流继续沿y向流动，翅片间的间距不变，压力也基本不变。图4（c）显示中心线上速度沿y向呈阶跃起伏式降低。这是因为刚从风扇流出时速度很大，遇到翅片速度降低，接着出现两排翅片间喷管式的空气通道，使气流速度增大，然后出现翅片使通道又变小，速度降低。这说明翅片的排布对气流的影响很大。

上的温度变化

图5是LED关键元件基板的温度分布云图以及基板紧贴热源一侧的中心线上温度沿[y]正向位置的变化关系。图5（a）显示，越远离风扇，基板的温度越高，即基板温度沿[y]正向逐渐增高。基板的最高温度约为81.30 ℃，出现在空气出口附近的热源处。基板最高温度小于90 ℃，说明此时的风量可以冷却这些热源。图5（b）显示，沿[y]正方向，基板的温度逐渐升高。这是因为越远离风扇，气流速度逐渐降低，单位时间的散热量逐渐降低。

3 结 论

（1） 对多排阵列大功率LED进行数值仿真，得到了模型的温度分布云图、压力分布云图和速度分布云图。并得出模型内的最高温度是81.30 ℃，最大压力是14.60 N/m2，最大的气体速度是2.21 m/s。

（2） 选取翅片区域即风扇中心的截面，分析该截面的温度分布、压力分布和速度分布。得出越远离空气进口的风扇区域，温度逐渐增高；越靠近风扇，空气速度越大，压力越大。

（3） 得出了中间风扇的中心线上的温度、压力及速度沿[y]正向位置的变化。得出温度沿[y]向呈阶跃起伏式升高；沿[y]向压力先迅速增大，接着迅速降低后基本趋于稳定；速度沿[y]向呈阶跃起伏式降低。

（4） 通过分析影响LED散热的关键元件基板的温度分布，得出越远离风扇，基板的温度越高，即基板温度沿[y]正向逐渐增高。

参考文献

[1] 韩媛媛，郭宏.数值模拟在大功率LED封装热分析中的应用现状[J].材料导报，2010（11）：108?112.

[2] 冯巧波，朱瑞，唐国安，等.热沉对LED灯具散热性能的影响[J].照明工程学报，2014（3）：80?83.

[3] 张淼，华楚霞，林泽坤.功率型LED灯散热器优化设计研究[J].光电子技术，2014（1）：64?67.

[4] 刘雁潮，付桂翠，高成，等.照明用大功率LED散热研究[J].电子器件，2008（6）：1716?1719.

[5] 王忠锋，黄伟玲，白金强.大功率LED灯具散热的优化设计[J].照明工程学报，2014（3）：84?88.

[6] 聂宇宏，梁融，姚寿广，等.LED翅片散热器传热性能研究[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2013（6）：561?564.

[7] 刘一兵，黄新民，刘国华.基于功率型LED散热技术的研究[J].照明工程学报，2008（1）：69?73.

[8] 马泽涛，朱大庆，王晓军.一种高功率LED封装的热分析[J].半导体光电，2006（1）：16?19.

[9] 刘树杰，关荣锋，田大垒，等.功率型白光LED封装的热分析[J].光电技术应用，2007（4）：31?34.

[10] 戴炜锋，王裙，李越生.大功率LED封装的温度场和热应力分布的分析[J].半导体光电，2008（3）：324?328.