大功率LED灯干冰喷射散热数值分析_宁静红.pdf

河南科技Henan Science and Technology机械与动力工程总第802期第8期2023年4月大功率LED灯干冰喷射散热数值分析宁静红王宁霞刘茂（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）摘要：【目的目的】解决大功率LED灯具高效散热问题。【方法方法】以干冰为冷却介质，设计出干冰喷射散热器，通过COMSOL软件研究干冰喷射对功率为300 W LED灯的散热特性。【结果结果】仿真试验结果表明，增大干冰流量能明显改善传热效果，流量由7.85 mL/s增至23.55 mL/s，散热器相同位置处干冰固相分数由0.04增至0.34。增大干冰流速可显著降低基板表面温度，流速由0.1 m/s增至0.3 m/s，温度约降低26.4%，且随着流速增大，降温效果逐渐减弱。【结论结论】与自然对流和水微喷射阵列冷却方式相比，以干冰为冷却介质的基板表面温度分别降低44.71和23.44；与单相射流方式相比，温度降低24.1。干冰喷射冷却效果明显提升，温度更加均匀。关键词：大功率LED；干冰；喷射升华；散热器；数值模拟中图分类号：TK172文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）08-0031-08DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.08.007Numerical Analysis on Heat Dissipation Characteristics of Dry IceSpraying High-Power LED LampsNING JinghongWANG NingxiaLIU Mao(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China)Abstract:Purposes In order to solve problem of low-efficiency heat dissipation of high-power LEDlamps.Methods A dry ice cooling radiator was designed for the efficient heat dissipation of high-powerLED lamps,and the heat dissipation characteristics of 300 W LED lamps were simulated by COMSOLsoftware.Findings The increase of dry ice volume flow significantly improves the heat dissipation,whenthe volume flow increases from 7.85 mL/s to 23.55 mL/s,the dry ice solid fraction at the same position ofthe radiator increases from 0.04 to 0.34.The increase of dry ice flow rate can reduce the substrate surfacetemperature,when the flow rate increases from 0.1 m/s to 0.3 m/s the temperature decreases by about26.4%,and the cooling effect gradually weakens with the increase of flow rate.Conclusions Comparedwith natural convection method and water micro jet array cooling system,the substrate surface temperaturereduced by 44.71%and 23.44%respectively;compared with the single-phase jet mode,temperature reduced by 24.1%.The dry ice cooling radiator performs well and makes more uniform temperature.Keywords:high-power LED;dry ice;spray sublimation;heat sink;numerical simulation0引言基于固态照明（SSL）技术的发光二极管（LED）是近年来最具发展前景的新型冷光源1，因其具有光效高、体积小、光谱窄、开关时间短、寿命长等良好特性2，在家庭和工商业中被广泛应用，成为目前最具竞争力的照明光源3。然而，LED的电光转换效率不到30，超过70的能量转换成热能，若收稿日期：2022-11-02基金项目：天津市研究生科研创新项目“大功率电子器件干冰喷射冷却特性的研究”（2021YJSS295）。作者简介：宁静红（1964），女，博士，教授，研究方向：自然工质制冷系统节能与优化。32第8期热能不及时散失，将导致LED结温迅速升高，对其光学特性、寿命及颜色稳定性均会产生很大影响4-5。集成芯片阵列的LED灯具有多个热单元，热源之间的热耦合效应明显，单位体积内的功耗较大，若LED灯的P-N结温度超过123，LED灯将无法正常工作6，降低LED灯结温是亟待解决的关键问题。在紧凑型LED阵列冷却设计中，以空气为工作流体的自然对流和强制对流方式无法在所需的安全工作温度下提供热管理。近年来，有学者对优化大功率LED灯散热器进行大量研究，并取得一定进展。唐帆等7验证了开缝交错设计能明显增强LED散热器的对流散热性能。刘维茜等8通过对换热器结构进行优化，优化后的LED最高温度较优化前略有降低，满足散热性能条件下材料的替换，降低工艺成本，简化制造工艺，实现节能环保。吕北轩等9创新性地提出基于多目标遗传算法的大功率LED工矿灯结构优化，优化后的新型散热结构性能显著提升，工矿灯结温降低16.46，优化效果显著，但仍迫切需要设计出更高效的大功率电子器件降温系统。有学者对喷雾冷却进行研究，并验证了喷雾冷却的可行性10-11。Oliveira等12设计出基于常规制冷循环的喷雾冷却系统，通过微型喷嘴将液态制冷剂喷射在加热块表面上，冷却效果良好，但表面温度的均匀性无法得到保障。Hsieh等13提出一种以去离子水为工作流体的基于微喷雾的冷却系统，可冷却多个功率为5 W的LED阵列，使用单个喷嘴喷雾冷却获得的最高传热系数为9 375 W/（m2），极大提高散热效果。Gatapova等14研究不同液体射流方式对LED阵列降温产生的效果，该系统可将热流密度为125 W/cm2的模块表面温度保持在70 以下，冷却能力有限。干冰是固态二氧化碳，作为一种自然工质，其熔点为-78.5、沸点为-56.6，相变潜热很高。吕平等15-16学者对干冰清洁技术进行研究，但低温下干冰的物理特性常被忽略，其可用于大功率电子器件冷却系统中。Li等17设计出一种开放式干冰喷射冷却芯片系统，为进一步研究干冰喷雾冷却大功率电子器件提供参考。宁静红等18-19提出使用干冰喷雾对高热通量芯片进行散热，在确定散热器最佳针柱尺寸和形状的基础上，对干冰喷雾的低温热力参数和散热器结构尺寸进行优化。研究结果证明，该方法能很好地结合相变传热和射流冲击传热，冷却效果显著提升，干冰冷却后的芯片整体温度分布更加均匀，将CPU芯片的温度有效维持在较低水平。为解决大功率LED灯高效散热问题，以干冰为冷却介质，设计了干冰散热器，模拟干冰喷射冷却过程散热器内速度场和温度场，以入口速度和干冰流量为优化变量，分析散热器内固相分数及LED表面温度分布，并与自然对流和水微喷射阵列的冷却方式进行对比，旨在提高散热器工作效率，保证LED灯能稳定安全运行，研究结果有助于干冰喷射冷却LED灯的推广应用。1干冰散热器模型1.1物理模型LED阵列产生的热量会以热传导方式传递到PCB铝基板，铝基板上的热量通过导热胶传递到散热器，降温减压后的干冰喷入散热器，干冰升华会带走大量热量，有效降低LED阵列的温度。为更好研究干冰喷射散热器的散热特性，本研究以圆盘LED灯为例，经查阅文献后可知，散热器为圆筒形结构，由干冰入口、散热器外壳、流体出口、散热器底座、PCB铝基板组成，外径为50 mm、高度为50 mm、厚度为 5 mm，内部正三角交错排布 213 根直径2 mm的圆柱形针柱，干冰散热器的外观如图 1所示，所用材料参数见表1。1.2网格划分网格类型为用户控制网格，针柱和铝基板采用细化网格，校准为普通物理，干冰进出口及散热器内部校准为流体动力学，网格采用较细化网格，选择生成边界层网格，边角处添加角细化，用来减小尖角处的元素大小，剩余网格采用四面体网格，以确保获得更准确的计算结果。质量测量为偏斜度时网格最小单元为0.192、平均单元质量为0.653 3、单元体积比为0.000 546 7。1.3控制方程与参数设置由于LED灯的热点集中，可采用射流方法冲击喷射表面。射流撞击壁面会破坏边界层，适用于强化局部点的传热。为获得LED表面温度和热通量分布，利用有限元方法（COMSOL Multiphysics 5.5软件）对LED灯铝基板进行热分析。干冰具有很大升华潜能，将干冰喷入散热器后，其会迅速吸热，升华为二氧化碳，冲击射流结合针柱间扰流，带走大量热。为简化计算，将干冰喷雾近似为流体，干冰喷雾喷出后温度为-78.5 20。在数值模拟中，采用非等温场耦合流动和传热过程，在不宁静红，等.大功率LED灯干冰喷射散热数值分析第8期33影响仿真分析结果的前提下，为简化求解过程，作出以下几点假设。散热器置于非封闭空间，周围空间压力设定为 0.1 MPa，同时环境温度设定为20。忽略重力影响，流体不可压缩。热量通过热传导方式从PCB铝基板传递到散热器底面，最大结温低于200 21。因此，可忽略热辐射，处在环境中的所有散热器表面按绝热条件给定。根据上述假设，在瞬态研究中，流固传热基于能量守恒方程见式（1）、式（2）。CpTt+CpuT+q=Q（1）q=-kT（2）流体流动基于动量方程见式（3）、式（4）。ut+（u2）u=2（-pl+k）+F（3）u=0（4）相变模型参考方程见式（5）至式（8）。=11+22（5）Cp=1（11Cp,1+22Cp,2）+L12mT（6）m=1222-11211+22（7）k=1k1+2k2（8）式中：为材料的密度，kg/m3；CP为相变材料比热容，J/（kgK）；T为流体温度，K；t为时间，s；u为干冰入口速度，m/s；q为对流热通量，W/m2；k为相变材料导热系数，W/（mK）；Q为干冰的焓，J/kg；d为特征长度，m；为动力黏度，Pas；1、2分别为两种相变材料的体积分数；m为质量分数。2喷射过程数值计算结果与分析2.1干冰喷射过程干冰喷射过程如图2所示，主要由二氧化碳气瓶、控制阀、减压阀、气液分离器、流量调节阀、流量计和干冰散热器组成。液态二氧化碳经阀门后由喷嘴喷射进散热器，少部分气体经气液分离器分离出。根据焦耳-汤姆逊原理，在喷射过程中，二氧化碳经减压阀后温度急剧下降，并到达气固边界，在室温和大气压力下形成干冰颗粒。干冰喷入散热器后，一部分流体向四周沿上壁面和针柱间的空间扩散，再经针柱空隙流出，在散热器内部左右两侧形成明显回流；一部分流体也会射流而下，在针柱间形成强烈的流场扰动，抵达被冲击壁面后，流体沿壁面向四周散开，形成贴壁射流区，迅速带走底部热量。LED的使用寿命在很大程度上由LED芯片中P-N结温决定，通过模拟仿真LED基板温度得到P-N结温，忽略LED封装各层之间热阻及LED芯片中P-N结到焊点之间的热阻，LED芯片P-N结温为LED基板温度。采用干冰