基于煙囪效應的LED太陽花與梳狀散熱器對比

唐 帆，郭震寧

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基于煙囪效應的LED太陽花與梳狀散熱器對比

唐 帆，郭震寧

（華僑大學 信息科學與工程學院福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門 361021）

為了提高LED的散熱性能，基于煙囪效應原理，對比了LED梳狀散熱器和太陽花散熱器的散熱效果。通過Solidworks建立實體模型，通過其插件Flow Simulation對建立的模型進行熱仿真。在保持散熱器質量不變的前提下，研究了不同煙囪高度對配備梳狀散熱器和太陽花散熱器的LED芯片最高溫度的影響。并對煙囪高度為40 mm的太陽花散熱器進行了實驗驗證，經實驗測量，此時LED芯片的最高溫度為81 ℃，與模擬結果只相差1.28 ℃，證實了模擬的正確性。仿真表明：在煙囪效應下，LED太陽花散熱器的散熱效果要強于梳狀散熱器，并且當煙囪高度大于45 mm時，二者的溫度差隨著煙囪高度的增加不斷擴大。

散熱；散熱器；煙囪效應；最高溫度；仿真；LED芯片

作為新一代照明光源的LED，由于具有節能、體積小、壽命長、環保等優點，目前已被用于建筑照明、景觀照明、舞臺照明等領域。但是，由于技術的限制，LED目前的光電轉換效率很低，大部分能量轉化成熱量，使LED工作時的溫度升高。溫度的升高不僅會降低LED的發光效率，還會使其壽命縮短[1]。因此，為了使LED快速發展，迫切需要解決其散熱困難的問題[2]。

國內外許多學者針對加強LED散熱這個問題，進行了相關研究。如錢斐等[3]提出了一種新型的板上芯片直裝式散熱基板與散熱翅片的釬焊技術，這種釬焊連接可以有效提高大功率LED的散熱性能。宋國華等[4]在傳統直插式LED封裝方法的基礎上，提出了一種在環氧樹脂中添加氮化硼填料的改進LED封裝工藝，這種工藝不僅降低了LED的工作溫度，而且同時提高了光通量，降低了光衰。王永翔等[5]對采用多孔微熱沉的大功率LED陣列主動散熱方案進行散熱分析，研究結果表明多孔微熱沉系統可以有效解決大功率LED陣列散熱問題。王志斌等[6]提出了一種基于螺旋扁管的大功率發光二極管陣列水冷散熱結構，通過仿真分析，得出這種散熱結構具有很好的換熱能力。研究表明，通過加入煙囪結構與LED散熱器，可以在散熱器中產生煙囪效應[7]，從而提高散熱器的散熱能力。

本文基于煙囪效應原理，通過軟件Solidworks構建三維模型，利用其插件Flow Simulation進行熱仿真。分別在梳狀散熱器和太陽花散熱器的設計中加入相同的直筒式煙囪結構，避免了氣體在具有傳統煙囪結構的散熱器內流動產生渦流，使空氣流動受阻[8]。在保證二者質量一樣的前提下，對它們的散熱能力進行對比。

1 理論基礎與模型建立

1.1 理論基礎

LED器件的總熱阻[9]為：

=cs+jc+sa(1)

式中：cs為導熱硅膠和基板的熱阻；jc為LED光源熱阻；sa為散熱器的熱阻。

由于風冷散熱器的輻射散熱量很低，所以不考慮其輻射傳熱熱阻，從而，散熱器的熱阻sa為：

sa=k+j(2)

式中：k為散熱器與空氣的對流換熱熱阻；j為散熱器自身的導熱熱阻。

根據熱阻計算公式：

式中：為LED芯片最高溫度；∞為環境溫度；為芯片熱功率。

聯立式(1)~(3)得到：

要求LED芯片工作時的最高溫度小于85 ℃[10]，∞為環境溫度，根據LED芯片的輸入功率和其光電轉換效率，可得到LED芯片熱功率，根據各廠家生產方式和材料的不同jc和cs的值有明顯差異，但可以在各廠家的產品手冊中查出，為定值。當散熱器自身結構和材料確定時，j也為定值。將上述各值代入公式(4)可以計算出k。k和散熱器表面積與對流換熱系數有關：

式中：為散熱器表面積大小；為對流換熱系數。

為了使LED工作溫度低于85 ℃，需要散熱器有足夠的表面積，增大則需要增大散熱器的質量。散熱器質量的增加，則其生產成本增加。根據式(5)，當k確定時，與成反比，煙囪效應可以有效加快散熱器表面的氣體流動速度，從而增大，減小，減輕散熱器質量。

1.2 模型建立

分別對帶有煙囪結構的梳狀散熱器和太陽花散熱器進行了設計，如圖1所示。二者的截面積和最大直徑相同，其中截面積都為356.62 mm2。基板的厚度為2 mm。設置LED芯片為直徑2 mm，高度1 mm的圓柱，數量為4個，在基板上呈圓周分布。

（a）梳狀散熱器

（b）太陽花散熱器

（c）太陽花散熱器俯視圖（單位：mm）

圖1 不同結構散熱器

Fig.1 Different structure of radiator

工作時，LED芯片產生熱量，周圍空氣吸收熱量，溫度升高密度減小，與煙囪通道上面的空氣產生密度差，產生向上的浮力，進而上升，并沿著煙囪通道向上流動排出，由于產生負壓，新的空氣又流入煙囪通道，形成煙囪效應，加快散熱器附近的空氣流動，增強自然對流散熱，提高散熱器的散熱能力。

2 熱仿真

將已構建的散熱器模型代入Flow Simulation，進行熱仿真。散熱器采用擠壓鋁6061，熱導率為236 W/(m·K)。基板采用鋁基板，橫向熱導率為100 W/(m·K)，縱向熱導率為2 W/(m·K)。設置LED芯片為體積熱源，輸入功率為5 W，發光效率取20%，則產熱功率為4 W。設置環境溫度為20 ℃，初始網格精度為4，設置模型整體為精度8的局部初始網格。

通過保持梳狀散熱器和太陽花散熱器的截面積相同，使二者在高度相同的情況下質量相等。然后通過改變散熱器的高度，研究在煙囪效應下，煙囪高度不同時，梳狀散熱器和太陽花散熱器散熱效果的對比。

3 仿真結果和討論

煙囪高度取值25~60 mm，利用軟件模擬出了不同煙囪高度下兩種散熱器LED芯片最高溫度的變化。8種煙囪高度的模擬計算結果如圖2所示。

如圖2所示，在質量相同的條件下，在煙囪高度所取范圍內，選用太陽花散熱器的LED芯片最高溫度都要低于選用梳狀散熱器的LED芯片最高溫度。在煙囪高度變化范圍為25到45 mm時，隨著煙囪高度的增加，二者的溫度差不斷減小，由3.67 ℃降低至1.97 ℃。當煙囪高度繼續增加，直到60 mm，二者的溫差又不斷變大，增加至4.01 ℃。由此可見，在煙囪效應下，質量相同的太陽花散熱器比梳狀散熱器的散熱效果更好。分析出現這種現象的原因在于：相同煙囪高度的太陽花散熱器比梳狀散熱器具有更大的表面積，當煙囪高度為40 mm時，太陽花散熱器的表面積為272.87 cm2，而梳狀散熱器的表面積僅為257.17 cm2。根據牛頓冷卻定律：

=D(6)

式中：為散熱功率；為物體表面的對流換熱系數；為物體散熱表面積；D為物體表面溫度與環境溫度差值。

可以看出，當對流換熱系數不變時，散熱表面積的增加，可以增加對流傳熱帶走的熱量，從而使LED芯片的最高溫度降低。

隨著煙囪高度的變化，選用兩種散熱器的LED芯片最高溫度的變化趨勢相同。當煙囪高度變化范圍為25~40 mm時，二者的溫度都呈快速下降趨勢，并在煙囪高度為40 mm時，達到最低。當煙囪高度繼續增加，二者的溫度反而上升。分析出現這種現象的原因在于：煙囪高度在40 mm以下時，隨著煙囪高度增高，煙囪效應的強度不斷增強，從而使散熱器的散熱能力不斷增強，使LED芯片的最高溫度降低。當煙囪高度超過40 mm時，空氣會在煙囪通道內產生回流現象[11]，導致熱量不能及時排出，在散熱器內滯留，也影響了新的冷空氣繼續進入散熱器，不能形成快速、暢通的空氣流動，反而削弱了煙囪效應的強度，降低了散熱效果。

從圖3可以看出，散熱器的質量隨煙囪高度的增加，呈直線上升趨勢，在高度相同時，質量相同。

在煙囪高度為40 mm時，兩種散熱器的空氣速度流動跡線和溫度場分布分別如圖4、圖5所示。

如圖4所示，LED芯片工作產生熱量，使周圍的空氣溫度升高，產生溫度差，進而提供空氣上升的浮力，空氣進入煙囪通道并順著通道向上排出，帶走熱量，提高散熱器的散熱性能。并且，兩種散熱器周圍的空氣流速基本相同。由圖5可見，工作時的最高溫度都出現在LED芯片處，熱量從LED芯片傳導到鋁基板上，并繼續傳遞給散熱器。在散熱器質量相同的條件下，配備太陽花散熱器的芯片的最高溫度為79.72 ℃，要比配備梳狀散熱器的芯片的最高溫度82.26 ℃低2.54 ℃。可以看出，在煙囪效應下，太陽花散熱器要比梳狀散熱器的散熱效果更好。

4 實驗驗證

為證實以上研究的正確性，對煙囪高度為40 mm的太陽花散熱器進行實驗測量，整個系統由一臺兆信PS-3003D直流電源供應器和兩個TM-902C溫度測試儀組成。溫度測試點布置在LED芯片上和基板表面，環境溫度用空調控制在20 ℃。經實驗測量，得到最高溫度81 ℃出現在LED芯片處，與仿真結果相差1.28 ℃，誤差僅為1.6%，證實了仿真的正確性。圖6為LED太陽花散熱器的實物照片。

（a）梳狀散熱器

（b）太陽花散熱器

圖4 速度流動跡線分布

Fig.4 Direction of speed flow trace

（a）梳狀散熱器

（b）太陽花散熱器

圖5 溫度場分布圖

Fig.5 Distribution of temperature field

（a）俯視圖

（b）側視圖

圖6 太陽花散熱器

Fig.6 Sunflower radiator

5 結論

基于煙囪效應，對比了LED梳狀散熱器和太陽花散熱器的散熱效果。通過保證兩種散熱器的截面積都為356.62 mm2，使在同等煙囪高度下，二者的質量相同。然后通過軟件模擬計算，得出在煙囪高度為25~60 mm時，配備兩種散熱器的LED芯片的最高溫度。通過對比，得出結論：在煙囪效應下，LED太陽花散熱器的散熱效果要強于梳狀散熱器。當煙囪高度為40 mm時，兩種散熱器均達到最佳散熱效果，其中配備太陽花散熱器的LED芯片最高溫度為79.72 ℃。并且當煙囪高度大于45 mm時，二者的溫度差隨著煙囪高度的增加不斷擴大。并對煙囪高度為40 mm的太陽花散熱器進行了實驗驗證，經實際測量，此時LED芯片的最高溫度為81 ℃，與模擬結果只相差1.28 ℃，證實了仿真的正確性。

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Contrast comb radiator and sunflower radiator for LED using chimney effect

TANG Fan, GUO Zhenning

(Key Laboratory of Light Propagation and Transformation of Fujian Province, School of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, Fujian Province, China)

In order to improve the heat dissipation performance of LED, a comparison based on the principle of the chimney effect is made between comb radiator (CR) and sunflower radiator (SR). An entity model was built by adopting ‘Solidworks’, and simulated by its plug-in ‘Flow Simulation’. The influence of the height of the chimneys (HC) on the maximum operating temperature of the LED chip for both CR and SR keeping their mass constant was studied. In the experiment, the highest operating temperature of the LED chip for SR with a HC of 40 mm is 81 ℃ which is only 1.28 ℃ higher than the simulation result, proving the validity of the simulation. The simulation demonstrates that SR has a better performance in heat dissipation than CR, and their maximum operating temperature difference increases with HC when the HC is higher than 45 mm.

cooling; radiator; chimney effect; highest temperature; simulation; LED chip

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.005

TN312

A

1001-2028（2016）09-0024-05

2016-06-02 通訊作者：郭震寧

福建省科技計劃引導性重點項目（No. 2016H0022）；華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目（No. 1400201001）

郭震寧（1958－），男，福建莆田人，教授，主要從事半導體發光器件與LED散熱方面研究，E-mail:znguo@hqu.edu.cn；唐帆（1990－），男，黑龍江哈爾濱人，研究生，研究方向為LED散熱，E-mail: 304462588@qq.com 。

網絡出版時間：2016-09-02 11:05:01 網絡出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1105.008.html

（編輯：曾革）