基于正交數(shù)值試驗的大功率LED燈翅片散熱性能研究

胡紅斌，劉紅軍，林　坤，徐　蕾

（哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室深圳風環(huán)境技術工程實驗室，廣東 深圳518055）

基于正交數(shù)值試驗的大功率LED燈翅片散熱性能研究

胡紅斌，劉紅軍，林坤，徐蕾

（哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室深圳風環(huán)境技術工程實驗室，廣東 深圳518055）

發(fā)光LED芯片是一種熱敏元件，如果LED芯片產(chǎn)生的熱量不能有效散出，將導致PN結(jié)的結(jié)溫升高，進而嚴重影響其工作性能。因此，散熱已成為影響大功率LED燈性能以及制約大功率LED燈發(fā)展的關鍵因素，是當前大功率LED燈研究的熱點和難點之一。為研究非定常對流換熱下LED的散熱性能影響因素，采用正交試驗研究了翅片厚度、翅片間距、翅片高度、散熱器底板厚度以及開縫條數(shù)對LED的散熱性能的影響效果，并通過對實驗結(jié)果分析得出了最優(yōu)翅片模型。

LED；散熱；正交數(shù)值試驗；影響因素

LED具有低功耗、長壽命、無污染、抗沖擊、發(fā)光效率高且易控制等顯著優(yōu)點，但是LED本身為熱敏元件，如果芯片產(chǎn)生的熱量未能及時散出，將導致PN結(jié)溫度升高，進而引起發(fā)光強度降低、光譜紅移、壽命大幅縮短以及封裝材料性能劣化等問題，因此，散熱問題已成為LED大規(guī)模應用亟需解決的關鍵問題之一。Shaeri等研究了散熱片開孔來加強散熱性能［1］；陳柏仁等研究了蜂巢式散熱翅片對LED芯片散熱性能的影響［2］；姬文飛研究了如何優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)來增加LED芯片的散熱性能［3］。自然對流模式下被動式散熱裝置散熱的基本原理是［4］：翅片表面溫度高于周圍空氣，進而對其表面附著的空氣薄膜進行加熱，空氣薄膜被加熱后因壓力降低而向上浮動，周圍又有空氣不斷補充，如此循環(huán)形成氣體流動。對流換熱的性能則不僅取決于固體與流體之間的溫差、流體的種類和物性參數(shù)等，還取決于流體的熱流場與速度場之間的相互協(xié)同程度。為了對散熱裝置的整個協(xié)同散熱過程進行深入的分析研究，并考慮流場隨時間的變化，需要建立散熱翅片與外流場的非定常耦合散熱模型。本文通過正交數(shù)值試驗對非定常耦合散熱模型中的影響因素進行分析，從而確定不同影響因素對LED散熱性能的影響。

1　實驗設計

1.1實驗原理

在LED翅片的定常散熱模型中不考慮外部流場隨時間的變化情況，整個散熱過程被視為一個穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在實際的散熱過程中，變化的外部環(huán)境以及流場中存在的湍流都會影響翅片的外部流場，因此采用定常散熱模型分析翅片的散熱過程存在一些誤差，而采用非定常耦合散熱模型能夠更加接近翅片真實的散熱過程。在數(shù)值模擬方面，非定常流動模擬條件與定常流動相比，需要將穩(wěn)態(tài)計算方式變?yōu)樗矐B(tài)計算方式，由此也會帶來計算量的大幅度增加，受限于計算機性能的限制，早期的研究大多只對散熱翅片外部流場進行定常分析，但是隨著電子技術的發(fā)展，現(xiàn)在的計算機性能已經(jīng)能夠滿足非定常計算的需要，因此，針對翅片散熱問題，建立非定常耦合計算模型并對其進行分析。建立非定常耦合散熱數(shù)值模型后，通過正交數(shù)值試驗來研究大功率LED燈翅片在不同因素的影響效果，對多種因素下不同水平下LED的散熱性能進行分析，從而提高LED燈翅片的散熱效率來降低功耗。

1.2實驗工況設計

研究非定常對流換熱下LED的散熱性能影響因素，主要從以下幾個方面進行考慮：翅片厚度、翅片間距、翅片高度、散熱器底板厚度以及開縫條數(shù)。為了研究不同因素的影響效果，需要對多種因素下不同水平下LED的散熱性能進行分析。依據(jù)主流LED構(gòu)造，將各種因素水平布置在表1.

表1　各因素水平表

為了縮小數(shù)值模擬計算的工況數(shù)量，在分析散熱器各結(jié)構(gòu)尺寸對其溫度場的影響時，采用正交試驗設計法確定模擬計算工況，然后依據(jù)確定的計算工況對參數(shù)化模型進行非穩(wěn)態(tài)的熱耦合分析。

正交試驗設計法是用“正交表”來安排和分析多因素試驗的一種梳理統(tǒng)計方法［5］。這種方法是以概率論數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)技術知識和實踐經(jīng)驗為基礎，充分利用標準化的正交表來安排試驗方案，并對實驗結(jié)果進行計算分析，最終達到減少實驗次數(shù)，縮短試驗周期，迅速找到優(yōu)化方案的一種科學計算方法。

正交試驗設計需要確定指標、因素和水平等參數(shù)。在實驗中需要考察效果的特征值，簡稱為指標。指標是和實驗目的相對應的，本文通過設置LED最高溫度作為試驗指標來考查LED的散熱性能。在正交試驗里，因素也稱為因子，是試驗中考查對實驗指標可能有影響的原因或因素，它是試驗當中重點考察的內(nèi)容。本文因素分別為翅片厚度、翅片間距、翅片高度、散熱器底板厚度以及開縫條數(shù)。試驗中選定的因素所處的狀態(tài)和條件稱為水平，本文各因素下的水平如表2所示。

表2　L4（23）表的格式

從表2看，該表是一個3列4行的矩陣，每個因素占用1列，該表最多能考察3個因素，每個因素分為2水平，共有4個橫行，也就是有4個試驗方案，每1行是1個方案。假如采用A因素占第1列，B因素占第2列，C因素占第3列，則：1號方案為A1B1C1，2號方案為A1B2C2，3號方案為A2B1C2，4號方案為A2B2C1.

依據(jù)上文分析，影響LED散熱因素為5個，每個因素取4個水平，以LED最高溫度為試驗指標，選取正交表L16（45）.正交試驗設計表如下表3.

表3　正交試驗設計表

2　實驗結(jié)果及分析

2.1實驗結(jié)果

根據(jù)正交實驗表1-3中的16種工況，對LED散熱系統(tǒng)進行非定常熱耦合分析，各種工況下的最高溫度如表4所示。

表4　16種工況的模擬結(jié)果

2.2實驗結(jié)果的極差分析

極差分析方法又稱直觀分析法，可以將因素水平的變化所引起的實驗結(jié)果間的差異反映出來，它的大小反應了因素變化時指標的變化幅度，極差越大，該因素的影響越顯著。根據(jù)極差分析，得出表5.

表5　極差分析表

通過極差分析表可以發(fā)現(xiàn)，翅片厚度對芯片溫度的影響最大，散熱器厚度也是影響芯片溫度的重要因素之一，但是散熱器厚度的作用小于翅片厚度。翅片間距、高度以及開縫條數(shù)的極差均小于2，對散熱的影響作用較小，這三種影響因素的作用效果按由強到弱依次為：開縫條數(shù)、翅片間距和翅片高度。

3　結(jié)束語

通過對散熱器與外部流場的耦合作用研究，提出全新的非定常耦合散熱模型，針對翅片厚度、散熱器底板厚度、翅片間距和翅片高度等影響因素運用正交實驗方法建立工況進行數(shù)值仿真模擬，并找到了最優(yōu)翅片模型，對于有效提高散熱器各部位翅片的散熱效率具有重大指導意義，本文研究內(nèi)容總結(jié)如下：

（1）在非定常對流換熱模型中同時考慮散熱翅片與外部流場的溫度耦合作用和外部流場隨時間變化的特性，建立了LED散熱系統(tǒng)的非定常耦合散熱模型。

（2）由分析可知，翅片厚度和散熱器厚度對LED芯片散熱性能有較大影響，是其敏感因素。

（3）翅片間距、高度以及開縫條數(shù)對散熱的影響作用較小，這三種影響因素的作用效果按由強到弱依次為：開縫條數(shù)、翅片間距和翅片高度。

（4）通過極差分析方法確定散熱性能最優(yōu)的翅片厚度為3.1 mm，散熱器底板厚度為7 mm，開縫條數(shù)為3條，翅片間距為15mm，翅片高度為40 mm.

［1］Shaeri，M and Yaghoubi，M.Thermal enhancement from heat sinks by using perforated fins［J］.Energy Conversion and Management，2009，50（5）：1264-1270.

［2］陳柏仁，馬小康，藍浩瑋，等.蜂巢式散熱翅片應用于高功率LED散熱的研究（英文）［J］.太原理工大學學報，2010，41 （005）:554-563.

［3］姬文飛，徐光明，嚴華鋒.發(fā)光二極管燈具散熱器優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計［J］.光源與照明，2009，（003）：8-10.

［4］Tanda，G.Natural convective heat transfer in vertical chan nels with low-thermal-conductivity ribs［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29（5）：1319-1325.

［5］盛永莉．正交試驗設計及其應用［J］．濟南大學學報，1997，7 （3）：69-73．

Study on the Thermal Performance of High Power LED Lamp based on Orthogonal Numerical Test

HU Hong-bin，LIU Hong-jun，LIN Kun，XU Lei
（Shenzhen Engineering Lab for Wind Environment and Technology，Shenzhen Key Lab of Urban&CivilEngineering Disaster Prevention&Reduction，Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China）

Light emitting LED chip is a element which is sensitive to heat，if the heat produced by the LED chip can not be effectively dissipated，will lead to PN junction temperature increased，which seriously affects the its working performance.Therefore，heat dissipation has become a key factor which influences the performance of high-power LED lamps and the development of large power LED lamps.It is one of the hot and difficult points in the research of high power LED lamps.In order to study the thermal performance factors of LED under unsteady convective heat transfer，this paper research the heat dissipation effect of fin thickness，fin pitch，fin height，radiator base plate thickness and slot number by orthogonal experiment，and through the analysis of the experimental results，the optimal fin model is obtained.

LED；heat dissipation；orthogonal numerical test；factors

TM923.02

A

1672-545X（2016）07-0045-03

2016-04-12

“基于微觀流動分析的功率型LED翅片散熱研究”（項目編號：JCYJ20130329145813840）資助。

胡紅斌（1992-），男，安徽人，在讀碩士研究生，研究方向：流場分析及流動控制；林坤（1984），男，山東聊城人，博士，助理研究員，研究方向：流場優(yōu)化、風洞試驗技術。