大功率LED分段翅片散热器热设计
周俊杰 绳冉冉 李雪丽
摘 要： 针对平板翅片式散热器存在的不足，提出一种分段翅片散热器。基于COMSOL Multiphysics平台，对不同分段数的分段翅片散热器的流动传热过程进行模拟。在此基础上，将Matlab模糊推理工具箱与Simulink相结合，对不同结构的散热器进行可靠性评估。最终得到分段数为4的散热器换热系数最大、可靠性最高、结构最佳，每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距及分段间隔分别为29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段数为4翅片散热器的换热系数相对于平直翅片散热器提高了3.42%～5.47%，压降增大了31.60%～40.85%，可靠性提高了0.2。此研究为散热器结构的优化设计提供了理论依据和参考。
关键词： COMSOL Multiphysics； Matlab； 分段翅片； 散热器； 传热分析
中图分类号： TN305.94?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0125?03
Abstract： Aiming at the insufficiency of the flat plate fin heat sink， a discrete plate fin heat sink is proposed. The flowing heat transfer process of the discrete plate fin heat sink with different segments is simulated on the basis of COMSOL Multiphysics platform. On this basis， the Matlab fuzzy inference toolbox is combined with Simulink to evaluate the reliability of heat sinks with different structures. It is obtained that the heat sink with four segments has the maximum heat transfer coefficient， highest reliability， and optimal structure. The fin length， thickness， height， space and subsection gap are 29 mm， 4 mm， 40 mm， 10 mm and 3 mm respectively. When the wind speed at inlet is increased from 1 m/s to 9 m/s， in comparison with the flat plate fin heat sink， the heat transfer coefficient of the discrete plate fin heat sink with four segments is increased by 3.42%～5.47%， its pressure drop is increased by 31.60%～40.85%， and its reliability is increased by 20%. This study provides the theoretical basis and a reference for optimization design of the heat sink structure.
Keywords： COMSOL Multiphysics； Matlab； discrete plate fin； heat sink； heat transfer analysis
0 引 言
平板翅片式散熱器以其结构简单、价格低廉、可操作性强等优点在大功率LED热管理中被广泛采用，并得到国内外学者的一致认同。Byung?Ho Kim，梁才航等人做了大量的关于平板翅片式散热器散热性能的研究工作，对于平板翅片散热器的结构参数（基板厚度、翅片厚度、间距、数量、布置方式）等进行了大量的优化研究[1?5]。但从散热器自身的结构考虑，平板翅片式散热器中平行排列的翅片使得通过散热器的气流变得更加均匀，这对强化换热是不利的。针对平板翅片式散热器的不足，研究者们开发出了许多其他翅片结构形式的散热，如锯齿形[6]、翅柱形[7]、打断翻折型[8]、分段形[9?10]。分段翅片散热器由于阻力小、结构简单而受到工程师们的喜爱。文献[9?10]比较了分段翅片和普通平板翅片的散热性能，得出分段翅片的换热系数随流速的变化更强烈，且换热性能优于普通平板翅片。但是以上文献并未对分段翅片散热器的结构参数进行优化设计。因此本文在对不同分段数翅片散热器的流动传热过程进行模拟的基础上，将Matlab模糊推理工具箱与Simulink相结合，对不同结构的散热器进行可靠性评估，最终得出最佳分段数。
1 数值模拟
1.1 物理模型
1.2 计算区域及计算方法
由于散热器各个通道内的流动状况基本相同，在两种散热器中各取一个通道为计算区域，如图2所示。计算区域的两个侧面为翅片的中心对称面。假设通道内的流动为三维、稳态、不可压的紊流流动。计算采用的方法为SIMPLE算法，湍流模型采用标准[k-ε]模型并与标准壁面函数法结合。动量、能量、紊动能及紊流耗散率控制方程中对流项的离散格式均采用具有二阶精度的QUICK格式。
1.3 边界条件
边界条件选取为：进口边界给定流体的平均速度，并取等温边界条件，温度为293.15 K；自由出流，与运行环境无压差；翅片底面采用固定热流量壁面边界条件，底面热流密度为100 000 W·m-2；通道两外侧壁设为绝热边界，采用无滑移壁面条件；流固耦合面上的边界条件的设置按照壁面函数法确定。采用共轭计算方法，物性参数分别给定，其中固体域用纯铝作材质，流体域为空气。
2 不同分段数翅片散热器模拟结果分析
对分段数为2～5的翅片散热器进行数值模拟，得到Z=0截面處不同分段数翅片散热器的温度云图如图3所示（Z=0截面是指散热基板与分段翅片接触的平面）。
由图3可以看出，分段间隔处的温度相对于翅片上的温度较低，这是由于在分段间隔处有冷空气进入，促进了流体的混合，减少了漩涡死滞区，增强了空气与翅片间的对流传热速度。并且，分段数为2～5的散热器翅片上的最大温度分别为344 K，330 K，300 K，304 K。说明随着分段翅片数目的增多，翅片上的最大温度先逐渐降低，后增大。这是由于随着分段数的增多，进入翅片间隔处的冷空气流量将会增大，从而使散热得到强化。但是当分段数目增大到一定程度后，继续增大分段数，就会导致散热面积减小，进而导致散热器的散热效果下降。
图4表明不同分段数的散热器换热系数都随入口速度的增加而增大，并且增大幅度逐渐减小；在同一入口速度下，随着分段数的增多，换热系数先逐渐增大后减小，当分段数为4时换热系数达到最大。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段数为4翅片的换热系数相对于平直翅片提高了3.42%～5.47%。说明并不是翅片分段数越多，越有利于提高换热效率，对于每种结构的散热器都存在最佳的分段数。由图5可以看出，不同分段数的散热器压降都随入口速度的增加而增大，并且增大幅度逐渐增大；在同一入口速度下，随着分段翅片数量的增多，压降整体上呈现出上升趋势。分段数为5翅片的压降相对于分段数为4翅片增大了6.96%～16.29%，分段数为4翅片的压降相对于原始翅片增大了31.60%～40.85%。
3 散热器可靠性评估
采用Matlab中的模糊推理工具箱，对不同结构的散热器进行可靠性评估。选用换热系数h、热阻R、进出口压降ΔP作为3个输入变量，将可靠性作为输出变量，输入变量的隶属度函数都选用梯形，输出变量的函数选用高斯型。将模糊工具箱与Simulink相结合，对不同结构的散热器进行仿真，确定各自的可靠性。当入口速度为3 m/s时，不同结构散热器的输入变量见表2。模糊规则浏览如图6所示。
经计算，平直翅片散热器的可靠性为0.4，分段数为2～5的散热器可靠性分别为0.4，0.5，0.6，0.5。根据模糊规则可知，平直翅片和分段数为2的翅片散热器可靠性“一般”，分段数为3，4，5的散热器可靠性都为“较好”。对翅片进行分段处理能够提高散热器的可靠性，当分段数较少时，并不能快速提高散热器的可靠性，但当分段数超过一定值时，继续增大分段数，可靠性反而会降低。对于本例，分段数为4散热器的可靠性最高。
结合对不同分段数散热器的的温度场、换热系数、压降和可靠性的分析可以确定分段数为4的散热器结构最佳，每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距及分段间隔分别为29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。
4 结 论
本文建立平板翅片式散热器的三维计算模型，比较分析了不同分段数散热器的散热性能。结果表明，分段间隔处的温度相对于翅片上的温度较低。在同一入口速度下，随着分段数的增多，压降整体上呈现出上升趋势，换热系数先逐渐增大后减小。分段数为4的散热器翅片上的最高温度最低、换热系数最大、可靠性最高、结构最佳，每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距及分段间隔分别为29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s时，分段数为4翅片的换热系数相对于平直翅片提高3.42%～5.47%，压降增大31.60%～40.85%，可靠性提高0.2。
参考文献
[1] KIM B H， MOON C H. Comparison of the thermal performance of the multichip LED packages [J]. IEEE transactions on components， packaging and manufacturing technology， 2012， 2（11）： 1832?1837.
[2] LI Jingsong， YANG Qingxin， NIU Pingjuan， et al. Optimization design and analysis of high?power LED heat radiator based on genetic algorithm and Matlab simulation [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2013， 28（2）： 213?220.
[3] 王明霞，周俊杰.多排阵列大功率LED的ICEPAK热设计[J].现代电子技术，2016，39（2）：113?115.
[4] 梁才航，杨永旺.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报，2016，27（1）：124?128.
[5] 李红月，张建新.大功率LED平板型翅片散热器的优化设计[J].天津工业大学报，2013，32（5）：38?42.
[6] 周仝，辛晓峰.锯齿形翅片散热器风冷性能试验研究[J].电子机械工，2013，29（4）：5?8.
[7] 余小玲，冯全科，冯健美.高效翅柱复合型散热器的流动与散热性能研究[J].西安交通大学学报，2004，38（11）：1114?1118.
[8] 伊丽娜，郑文龙，王博杰，等.新型CPU散热器内空气流动与换热特性的数值研究[J].制冷技术，2015，35（1）：36?40.
[9] 陆正裕，熊建银，屈治国，等.CPU散热器换热特性的实验研究[J].工程热物理学报，2004，25（5）：861?863.
[10] 李斌，陶文铨，何雅玲.电子器件空气强制对流冷却研究[J].西安交通大学学报，2006，40（11）：1241?1245.
摘 要： 针对平板翅片式散热器存在的不足，提出一种分段翅片散热器。基于COMSOL Multiphysics平台，对不同分段数的分段翅片散热器的流动传热过程进行模拟。在此基础上，将Matlab模糊推理工具箱与Simulink相结合，对不同结构的散热器进行可靠性评估。最终得到分段数为4的散热器换热系数最大、可靠性最高、结构最佳，每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距及分段间隔分别为29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段数为4翅片散热器的换热系数相对于平直翅片散热器提高了3.42%～5.47%，压降增大了31.60%～40.85%，可靠性提高了0.2。此研究为散热器结构的优化设计提供了理论依据和参考。
关键词： COMSOL Multiphysics； Matlab； 分段翅片； 散热器； 传热分析
中图分类号： TN305.94?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0125?03
Abstract： Aiming at the insufficiency of the flat plate fin heat sink， a discrete plate fin heat sink is proposed. The flowing heat transfer process of the discrete plate fin heat sink with different segments is simulated on the basis of COMSOL Multiphysics platform. On this basis， the Matlab fuzzy inference toolbox is combined with Simulink to evaluate the reliability of heat sinks with different structures. It is obtained that the heat sink with four segments has the maximum heat transfer coefficient， highest reliability， and optimal structure. The fin length， thickness， height， space and subsection gap are 29 mm， 4 mm， 40 mm， 10 mm and 3 mm respectively. When the wind speed at inlet is increased from 1 m/s to 9 m/s， in comparison with the flat plate fin heat sink， the heat transfer coefficient of the discrete plate fin heat sink with four segments is increased by 3.42%～5.47%， its pressure drop is increased by 31.60%～40.85%， and its reliability is increased by 20%. This study provides the theoretical basis and a reference for optimization design of the heat sink structure.
Keywords： COMSOL Multiphysics； Matlab； discrete plate fin； heat sink； heat transfer analysis
0 引 言
平板翅片式散熱器以其结构简单、价格低廉、可操作性强等优点在大功率LED热管理中被广泛采用，并得到国内外学者的一致认同。Byung?Ho Kim，梁才航等人做了大量的关于平板翅片式散热器散热性能的研究工作，对于平板翅片散热器的结构参数（基板厚度、翅片厚度、间距、数量、布置方式）等进行了大量的优化研究[1?5]。但从散热器自身的结构考虑，平板翅片式散热器中平行排列的翅片使得通过散热器的气流变得更加均匀，这对强化换热是不利的。针对平板翅片式散热器的不足，研究者们开发出了许多其他翅片结构形式的散热，如锯齿形[6]、翅柱形[7]、打断翻折型[8]、分段形[9?10]。分段翅片散热器由于阻力小、结构简单而受到工程师们的喜爱。文献[9?10]比较了分段翅片和普通平板翅片的散热性能，得出分段翅片的换热系数随流速的变化更强烈，且换热性能优于普通平板翅片。但是以上文献并未对分段翅片散热器的结构参数进行优化设计。因此本文在对不同分段数翅片散热器的流动传热过程进行模拟的基础上，将Matlab模糊推理工具箱与Simulink相结合，对不同结构的散热器进行可靠性评估，最终得出最佳分段数。
1 数值模拟
1.1 物理模型
1.2 计算区域及计算方法
由于散热器各个通道内的流动状况基本相同，在两种散热器中各取一个通道为计算区域，如图2所示。计算区域的两个侧面为翅片的中心对称面。假设通道内的流动为三维、稳态、不可压的紊流流动。计算采用的方法为SIMPLE算法，湍流模型采用标准[k-ε]模型并与标准壁面函数法结合。动量、能量、紊动能及紊流耗散率控制方程中对流项的离散格式均采用具有二阶精度的QUICK格式。
1.3 边界条件
边界条件选取为：进口边界给定流体的平均速度，并取等温边界条件，温度为293.15 K；自由出流，与运行环境无压差；翅片底面采用固定热流量壁面边界条件，底面热流密度为100 000 W·m-2；通道两外侧壁设为绝热边界，采用无滑移壁面条件；流固耦合面上的边界条件的设置按照壁面函数法确定。采用共轭计算方法，物性参数分别给定，其中固体域用纯铝作材质，流体域为空气。
2 不同分段数翅片散热器模拟结果分析
对分段数为2～5的翅片散热器进行数值模拟，得到Z=0截面處不同分段数翅片散热器的温度云图如图3所示（Z=0截面是指散热基板与分段翅片接触的平面）。
由图3可以看出，分段间隔处的温度相对于翅片上的温度较低，这是由于在分段间隔处有冷空气进入，促进了流体的混合，减少了漩涡死滞区，增强了空气与翅片间的对流传热速度。并且，分段数为2～5的散热器翅片上的最大温度分别为344 K，330 K，300 K，304 K。说明随着分段翅片数目的增多，翅片上的最大温度先逐渐降低，后增大。这是由于随着分段数的增多，进入翅片间隔处的冷空气流量将会增大，从而使散热得到强化。但是当分段数目增大到一定程度后，继续增大分段数，就会导致散热面积减小，进而导致散热器的散热效果下降。
图4表明不同分段数的散热器换热系数都随入口速度的增加而增大，并且增大幅度逐渐减小；在同一入口速度下，随着分段数的增多，换热系数先逐渐增大后减小，当分段数为4时换热系数达到最大。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段数为4翅片的换热系数相对于平直翅片提高了3.42%～5.47%。说明并不是翅片分段数越多，越有利于提高换热效率，对于每种结构的散热器都存在最佳的分段数。由图5可以看出，不同分段数的散热器压降都随入口速度的增加而增大，并且增大幅度逐渐增大；在同一入口速度下，随着分段翅片数量的增多，压降整体上呈现出上升趋势。分段数为5翅片的压降相对于分段数为4翅片增大了6.96%～16.29%，分段数为4翅片的压降相对于原始翅片增大了31.60%～40.85%。
3 散热器可靠性评估
采用Matlab中的模糊推理工具箱，对不同结构的散热器进行可靠性评估。选用换热系数h、热阻R、进出口压降ΔP作为3个输入变量，将可靠性作为输出变量，输入变量的隶属度函数都选用梯形，输出变量的函数选用高斯型。将模糊工具箱与Simulink相结合，对不同结构的散热器进行仿真，确定各自的可靠性。当入口速度为3 m/s时，不同结构散热器的输入变量见表2。模糊规则浏览如图6所示。
经计算，平直翅片散热器的可靠性为0.4，分段数为2～5的散热器可靠性分别为0.4，0.5，0.6，0.5。根据模糊规则可知，平直翅片和分段数为2的翅片散热器可靠性“一般”，分段数为3，4，5的散热器可靠性都为“较好”。对翅片进行分段处理能够提高散热器的可靠性，当分段数较少时，并不能快速提高散热器的可靠性，但当分段数超过一定值时，继续增大分段数，可靠性反而会降低。对于本例，分段数为4散热器的可靠性最高。
结合对不同分段数散热器的的温度场、换热系数、压降和可靠性的分析可以确定分段数为4的散热器结构最佳，每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距及分段间隔分别为29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。
4 结 论
本文建立平板翅片式散热器的三维计算模型，比较分析了不同分段数散热器的散热性能。结果表明，分段间隔处的温度相对于翅片上的温度较低。在同一入口速度下，随着分段数的增多，压降整体上呈现出上升趋势，换热系数先逐渐增大后减小。分段数为4的散热器翅片上的最高温度最低、换热系数最大、可靠性最高、结构最佳，每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距及分段间隔分别为29 mm，4 mm，40 mm，10 mm和3 mm。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s时，分段数为4翅片的换热系数相对于平直翅片提高3.42%～5.47%，压降增大31.60%～40.85%，可靠性提高0.2。
参考文献
[1] KIM B H， MOON C H. Comparison of the thermal performance of the multichip LED packages [J]. IEEE transactions on components， packaging and manufacturing technology， 2012， 2（11）： 1832?1837.
[2] LI Jingsong， YANG Qingxin， NIU Pingjuan， et al. Optimization design and analysis of high?power LED heat radiator based on genetic algorithm and Matlab simulation [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2013， 28（2）： 213?220.
[3] 王明霞，周俊杰.多排阵列大功率LED的ICEPAK热设计[J].现代电子技术，2016，39（2）：113?115.
[4] 梁才航，杨永旺.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报，2016，27（1）：124?128.
[5] 李红月，张建新.大功率LED平板型翅片散热器的优化设计[J].天津工业大学报，2013，32（5）：38?42.
[6] 周仝，辛晓峰.锯齿形翅片散热器风冷性能试验研究[J].电子机械工，2013，29（4）：5?8.
[7] 余小玲，冯全科，冯健美.高效翅柱复合型散热器的流动与散热性能研究[J].西安交通大学学报，2004，38（11）：1114?1118.
[8] 伊丽娜，郑文龙，王博杰，等.新型CPU散热器内空气流动与换热特性的数值研究[J].制冷技术，2015，35（1）：36?40.
[9] 陆正裕，熊建银，屈治国，等.CPU散热器换热特性的实验研究[J].工程热物理学报，2004，25（5）：861?863.
[10] 李斌，陶文铨，何雅玲.电子器件空气强制对流冷却研究[J].西安交通大学学报，2006，40（11）：1241?1245.
