基于組合參數分析的LED散熱結構優化研究

韓 娜，崔國民，馬尚策，劉國輝，周劍衛

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基于組合參數分析的LED散熱結構優化研究

韓 娜1，崔國民1，馬尚策1，劉國輝1，周劍衛2

（1. 上海理工大學新能源科學與工程研究所，上海 200093；2. 哈爾濱哈鍋鍋爐工程技術有限公司，黑龍江哈爾濱 150060）

為了提高LED的散熱性能，利用數值計算軟件Icepak對其散熱過程仿真模擬。LED散熱受眾多結構參數影響，選定影響芯片結溫的主要因素，并逐一進行模擬計算，確定目標函數隨各變量的變化趨勢。為了進一步合理設計散熱主體結構，通過正交試驗優化參數組合，分析肋片個數、肋片高度、散熱器高度以及基板厚度等4個因素對芯片結溫的綜合影響，得到優化后的參數組合。將所得最優組合參數解模擬計算，與初始結構相比芯片結溫降低了9.02 ℃，達到了優化目標。

LED散熱；數值模擬；組合參數；結構優化；正交試驗；散熱性能

第四代光源白光LED具有節能環保、體積小、壽命長、可靠性高[1-3]等優點，隨著芯片功率的不斷增大，產生的熱量若不能及時散發，LED芯片結溫則會不斷升高，引起發光效率降低、壽命縮短等問題[4]。因此，有效的散熱設計是大功率LED研究的難點及熱點。功率型LED的散熱管理分為三個層次：芯片級、封裝級和系統級。芯片級和封裝級是通過對材料和工藝等進行改進的方式降低導熱熱阻，改善散熱效果。系統級的熱管理是解決功率型LED散熱的關鍵，主要針對散熱器進行的優化設計。自然對流條件下，采用高熱導率材料的散熱器可以有效地降低結溫，然而研究發現當散熱器材料的熱導率超過200 W/(m2·K)后，結溫沒有明顯變化[5]，因此僅僅依靠高熱導率材料并不能夠有效提高散熱器性能，而增大散熱器表面積和提高對流換熱系數是降低結溫的有效手段。過多增加散熱面積又會使燈具結構復雜化，加工工藝難度增加。對流換熱系數與散熱器的形狀、尺寸有密切關系，因此適當的結構尺寸設計，可以使散熱器更好地發揮散熱效果。

近年來，隨著計算機技術的發展，利用數值模擬軟件研究LED散熱取得了較好進展，例如梁融等[6]通過對LED肋片散熱器結構進行數值分析，提出了開縫可以改善散熱性能。Yazicioglu等[7]通過數值分析和實驗研究發現，翅片的散熱效果與翅片散熱器的幾何結構相關。Yang等[8]用ANSYS模擬分析了翅片高度對LED結溫的影響。張雪粉[9]通過數值模擬計算和實驗兩種方法對散熱器鰭片的數量、結構以及排列方式進行了優化設計，提高了散熱效果。

通過選取關鍵的影響因素，借助數值模擬軟件評價不同參數的變化對散熱性能的影響，確定較優參數組合，達到優化目標的效果。本研究以照明用LED球泡燈為研究對象，在已有的LED散熱技術方法研究成果的基礎上，運用Icepak軟件對自然對流條件下的LED球泡燈散熱過程進行了模擬。LED散熱設計是多變量優化問題，對影響芯片結溫的主要結構參數逐一進行了分析。為了進一步改善LED散熱性能，通過正交試驗設計方法建立散熱器結構參數的樣本空間，得到散熱器結構的設計集合，并對得到的散熱器模型進行數值模擬，采用極差法分析計算結果，對各因素對目標函數的影響程度進行分析排序，確定最優組合參數解。

1 優化設計研究

1.1 數理建模

以某公司生產的LED球泡燈為對象（見圖1），為研究方便，樣品未加燈罩。該球泡燈整體結構主要由以下部分組成：LED模塊（由6顆LED組成）、基板、用于支撐和散熱的鋁制散熱器。

圖1 LED球泡燈實物圖

根據文獻[10]散熱建模仿真方法，建立LED球泡燈的散熱模型。根據所采用的LED規格設定光電轉換效率LED為20%，即80%的LED輸入功率LED轉換成燈具總熱量。散熱器模型的結構參數如表1所示：

表1 散熱器結構參數

Tab.1 Structural parameters of the radiator

首先，對選用研究對象進行實驗測量，設置3個測溫點，分別為：芯片中心、肋片頂端、肋片底端，用熱電偶測量LED燈具達到穩態時各測溫點的溫度，結果見表2。

在實驗測量的基礎上，利用數值模擬軟件對研究對象進行求解分析。LED芯片不斷地產生熱量，經過散熱器與環境進行熱量交換：導熱硅脂和散熱器進行著熱傳導，散熱翅片與其周圍空氣自然對流。近似地將LED散熱問題看作三維穩態、常物性、有內熱源的熱傳導與熱對流的耦合問題。

數值模擬是將溫度場的控制方程通過計算數學的方法離散到一系列的網格節點上，進而求解其離散數值解。為了捕捉傳熱過程中的細節，采用局部加密的方式進行網格劃分，并利用Icepak的自適應網格功能進行調整。為了驗證網格獨立性，分別用不同的網格（網格數分別為541025，618090，693513，752071）對模型進行了計算，網格數量規模為618090所得結果與網格數為693513的計算結果偏差小于1%，已能夠獲得網格獨立解。為了兼顧計算精度與計算時間，選用網格數量為618090的網格規模進行后續的模擬分析。計算過程不考慮由溫差引起的輻射換熱。因溫差引起浮生力的作用，故在計算過程中引入了Boussinesq假設[11]：

（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；

（3）密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余各項中的密度作常數處理。

在自然對流的仿真計算中，選用-雙方程模型求解。為加速收斂，通常在反重力的方向上設置微小初始速度。壓力、動量方程和能量方程中的對流項均采用二階迎風格式，保持流動收斂準則和能量收斂準則為默認值，分別為10–3與10–7。需要構建的控制方程包括:

連續性方程：

動量方程：

方向：

方向：

（3）

方向：

能量方程：

（5）

式中：為空氣密度；a為參考條件下的密度；是動力粘性系數；，，分別為，，方向上的氣流速度分量；為傳熱系數；C為比熱容；為壓強；為流體的溫度；為重力加速度。

在與實驗中所設測溫點相同位置設置3個point，進行數值模擬計算，所得結果見表2。

數值模擬所得結果與實驗測量結果各不相同，將同一溫度監測點位置的兩個結果進行計算，發現數值模擬結果與實驗測量結果雖有差別但誤差均在10%以內，則數值模擬分析可以指導實驗研究。

表2 測溫點實驗與模擬結果對比

Tab.2 Comparison of experimental result with simulation result for points

1.2 單變量分析

選定影響芯片結溫的3個散熱主體幾何參數：肋片個數、肋片高度、散熱器高度為變量，采用單一變量分析法，依次設定各變量為唯一變量，觀察芯片結溫隨不同變量的變化趨勢。為了考察每個變量對結溫的影響，對各參數進行多次取值。

將肋片高度及散熱器高度保持固定，改變肋片個數，觀察芯片結溫的變化。根據本文所用熱源大小和工程經驗，取肋片數范圍為：21~36，肋片個數對散熱性能的影響如圖2所示。

圖2 肋片個數對結溫的影響

觀察圖2發現芯片結溫隨肋片個數增加的變化趨勢不具有單調性，在考察范圍內，結溫隨著肋片個數的增加芯片結溫先降低后增大，當肋片個數為27時，芯片結溫最低為75.11 ℃。增加散熱器的肋片個數可以增大散熱面積，有利于熱量的散發，而這并不意味著可以無限制地增加肋片個數。這是因為當散熱器肋片個數增多時，肋片間距變小，導致肋片與肋片之間的流道變窄，肋片間的對流換熱減弱，反而不利于散熱。將肋片個數分別為21，27，33，42時肋片間的流場進行對比，選取各模型=0.6 mm截面的速度分布，如圖3所示。

由圖2可知，肋片個數的增加使得肋片壁面的邊界層厚度增加，流道內流體速度逐漸降低，當肋片個數由21增加至27時，流道內流體的速度雖有所減小，但芯片結溫有所降低，說明肋片增多使換熱面積變大的影響強于肋片表面流體速度減小的影響；而繼續增加肋片個數，后者對系統散熱的影響更大，通過空氣與肋片之間的對流換熱帶走的熱量明顯減少。

圖3 截面z=0.6 mm流場分布

考察肋片高度對芯片結溫的影響，將肋片高度設置為變量，取其變化范圍為7~14 mm，肋片高度對散熱性能的影響如圖4所示。

圖4 肋片高度對結溫的影響

觀察圖4可知，隨著肋片高度的增大，散熱面積不斷增加，芯片結溫逐漸降低，肋片高度由7 mm增加至14 mm，結溫由83.72 ℃降低為61.35 ℃，散熱效果顯著，但不能無限制地增加肋片高度，滿足既定散熱需求即可，否則會徒增散熱器的重量和體積，造成材料浪費。

改變散熱器的高度，觀察散熱器高度對散熱性能的影響，設定散熱器高度的變化范圍為26~42 mm，芯片結溫隨散熱器高度的變化趨勢如圖5。

由圖5知芯片結溫隨著散熱器高度的增加不斷降低，但變化趨勢逐漸減緩，增加散熱器的高度使得散熱面積增加，有助于熱量的散發，當散熱器高度超過36 mm，芯片結溫變化不明顯，這是因為芯片產生的熱量主要由距離芯片位置較近的肋片上半部分與空氣對流換熱散發至環境中，肋片底部的利用率較小，散熱器高度的增加使得肋片在軸向變長，當超過一定范圍時，由于熱傳導路徑較長，經肋片下半部分散發的熱量減少，芯片結溫變化減小。

圖5 散熱器高度對結溫的影響

1.3 正交試驗優化設計

為了進一步合理設計散熱主體結構，提高散熱性能，利用正交試驗優化各影響因素。正交試驗設計具有在完成試驗要求的情況下，所需實驗次數少、實驗點分布均勻、可用相應的極差法分析等優點[12]。

芯片結溫除了受散熱器結構的影響還與基板的厚度有關，常見基板的厚度為1，1.2，1.5，2 mm，將基板厚度與散熱器的3個幾何參數作為正交試驗的設計因素，即確定4個因素：肋片個數、肋片高度、散熱器高度、基板厚度，各因素變化均設為4水平。由于芯片結溫隨著肋片個數的增加并非單調變化，且試驗關注的目標是獲得較低的芯片結溫，因此將單一變量分析時，芯片結溫最低所對應的肋片個數24設置為肋片數量的水平數之一，設置肋片數量水平數為4，其他三個水平分別為24，30，33。

設定肋片高度的水平數，由于以肋片高度為單一變量時，芯片結溫隨其增加而呈現逐漸下降的趨勢，且芯片結溫最低時對應的肋片高度出現在邊緣數值點，考慮到一味地增加肋片高度雖會帶來降低芯片結溫的效果，但會徒增制造成本，況且當肋片高度大于8 mm時芯片結溫已經低于80 ℃，滿足基本散熱要求，綜合考慮設定肋片高度的水平數為8，9，10，11。

在以散熱器高度為單變量分析芯片結溫的變化時，曲線整體呈現下降趨勢，當散熱器高度超過34 mm時，芯片結溫的變化明顯變小：散熱器高度由34 mm增加至42 mm，芯片結溫的變化不到0.5 ℃，雖然達到了降低結溫的效果，但付出的“代價”非常大。為了兼顧制造成本與散熱性能，選定散熱器高度的試驗水平為30，32，34，36。

綜上所述，正交試驗設計如下：各因素變化均設為4水平，其中翅片數量為24，27，30，33個，單位為個；肋片高度的取值為8，9，10，11 mm；散熱器高度的取值為30，32，34，36 mm；基板厚度的取值為1，1.2，1.5，2 mm。即正交試驗L（44）如表3所示，對每一個組合進行數值模擬。

表3 正交試驗設計安排

Tab.3 Orthogonal experimental design

采用極差分析法對計算結果分析如表4，不同的參數對目標函數的影響不同，通過極差的大小來反映試驗指標隨各因素變化的波動幅度，值越大，則表明試驗指標受該因素的影響越大；相反越小則說明對應因素對試驗指標的影響越小，鑒于此可以通過比較各因素極差的大小來確定主次因素。從四個主要影響因素各自對應的極差大小來看，影響LED結溫的主次順序為：肋片高度＞散熱器高度＞肋片個數＞基板厚度。

表4 參數組合結果分析

Tab.4 Analysis of Parameter Combinations

將所得最優組合重新構建模型，并進行數值模擬分析，其溫度分布如圖6所示，LED結溫為62.36 ℃，與初始結構的結溫71.38 ℃相比較，下降了9.02 ℃。

通過觀察正交試驗表可知，并非散熱面積越大，芯片結溫越低，如試驗9的散熱面積21 851.323 mm2大于試驗10的散熱面積20 099.753 mm2，但試驗9的芯片結溫為75.51 ℃，反而高于試驗10的芯片結溫67.11 ℃。設計LED主體散熱結構時并不能只關注散熱面積，應綜合考慮參數組合之間的相關性，合理設計散熱結構。

圖6 優化模型溫度分布

2 結論

運用數值模擬軟件Icepak計算分析了自然對流條件下散熱主體的結構參數對芯片結溫的影響，得到如下結論：

（1）在一定范圍內，芯片結溫隨著肋片個數的增加而降低，芯片結溫最低為75.11 ℃，當肋片過于密集反而會不利于散熱；

（2）肋片高度的增加使得散熱面積增大，可以降低芯片結溫，肋片高度由7 mm增加至14 mm，結溫由83.72 ℃降低為61.35 ℃，散熱效果非常明顯，但不斷增大肋片高度會徒增工藝成本，浪費材料，合理設計肋片高度，滿足既定散熱需求即可；

（3）降低芯片結溫還可以通過增大散熱器高度得以實現，但當散熱器高度超過36 mm，芯片結溫變化不再明顯。通過正交試驗設計對主要影響因素進一步分析，合理設計參數組合，采用極差分析法將各因素對目標函數的影響程度進行排序，得到優組合參數解，結果表明優化后的散熱結構使得芯片結溫降低了9.02 ℃，提高了散熱性能，達到了優化效果。

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（編輯：陳豐）

Heat dissipation structure optimization of LED based on combined parameter analysis

HAN Na1, CUI Guomin1, MA Shangce1, LIU Guohui1, ZHOU Jianwei2

(1. Institute of NewEnergy Science and Technology, University of Shanghai for Science and TechnologyShanghai 200093, China; 2. Harbin Boiler Company Limited, Harbin 150060, China)

Thermal simulation of LED system was carried out by Icepak to improve heat transfer efficiency.Several structural factors, which mainly affect the chip junction temperature, were selected among them to be simulated separately. As a result, the variation trend of the objective function with each factor was gained.In order to obtain a reasonable result, the orthogonal test method was used to optimize factors of the design. The general influence of the 4 factors (fin number, fin height,heatsink height and substrate thickness) on the chip junction temperature was analyzed. Finally, an optimized result was obtained, and the LED junction temperature decreased by 9.02 ℃, which show the effectiveness of the proposed method.

LED heat dissipation; numerical simulation; combining parameter; structure optimization; orthogonal experiment; heat dissipation performance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.010

TN603

A

1001-2028（2017）05-0049-06

2017-01-10

崔國民

上海市科委部分地方院校能力建設計劃資助（No. 16060502600）；國家自然科學基金資助（No. 51176125）；滬江基金研究基地專項資助（No. D14001）

韓娜（1991－），女，河北石家莊人，研究生，主要從事LED封裝及散熱技術方面研究，E-mail: hannasjz@163.com ；崔國民（1969－），男，吉林雙遼人，教授，主要從事強化傳熱與過程系統優化研究，E-mail: cgm@usst.edu.cn。

網絡出版時間：2017-05-11 13:25

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1325.010.html