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LED 路灯热管散热器翅片开缝优化设计

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LED的发光效率与寿命随温度升高分别呈直线、指数规律下降,温度每降低10℃,寿命就能延长2,温度过高会导致芯片烧毁失效。因此,LED的散热问题是阻碍其成为主流光源的瓶颈之一。散热装置的发展,如板翅式散热器在电子器件中的应用,使得散热翅片的优化设计成为主题。陈启勇等针对空气滞留区,流动空气不能顺利进入翅片内部,设计了一种透空型散热结构。ShaeriMR等研究了开缝数目与开缝尺寸对提高对流换热系数和减轻散热器重量的影响。WongS等研究了散热面积与对流换热系数的作用,在两者相互作用中存在最佳翅片间距值。庄四祥等通过正交试验方法对散热器进行了参数优化设计。

1翅片开缝优化设计

1.1开缝结构模型

在自然对流换热过程中,散热器周围与内部空气的流动状态,直接影响散热性能。通常在散热器底部位置存在空气停滞区域,该区域中空气流动困难,影响了散热器的散热效果。散热器模型如图1所示。

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对热管散热器的翅片进行开缝优化研究,设计了IIIIII3种不同结构形式的开缝结构,通过分析翅片开缝结构的温度场与速度场分布来评价开缝结构是否有效。3种开缝结构模型如图2所示,开缝缝隙宽度分别为t=2mmt=4mmI型翅片开缝模型将翅片分为两部分,两部分宽度相同,如图2(a)所示。II型翅片开缝模型将翅片分为长度不同的窄边与宽边,两端为宽边,并且两部分宽度相同,中间部分为窄边,如图2(b)所示。III型翅片开缝模型将III两种开缝模型交替布置,如图2(c)所示。

1.2边界层方程

稳态、无热源自然对流散热的边界层方程为:

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在计算过程中采用零方程模型,零方程模型是最简单的湍流模型,针对大多数电子散热问题而言,零方程模型具有足够的计算精确度,经济适用,可以完全满足计算要求。

2结果讨论

2.1温度边界层分布

3为未开缝翅片的俯视温度云图,在未开缝改进前,翅片内温度分布不均匀。在温度云图中散热器中间区域部分温度最高,温度沿散热器中心线向两边递减,呈对称分布,散热器四周靠近空气侧翅片温度最低。距空气侧较近的翅片温度低,是由于在空气侧空气的流速最大,提高了对流换热系数,换热效果强烈,距离周围空气远的翅片,翅片内部流动阻力大,空气流动困难,难以充分与翅片进行换热,换热效果较弱。散热器翅片中间部位温度边界层比较厚,之后温度边界层厚度沿翅片长度方向向两侧递减,散热器中间部位翅片间的温度边界层难以得到发展和分离,温度边界层连接在一起,形成一条带状分布。

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开缝结构能够增加流体流动的扰动,流动程度增强,使边界层减薄,减小换热热阻,增强换热效果。图4(a)(b)是在翅片中间部位开缝,翅片被分为两部分,开缝结构破坏了连接成带状的温度边界层分布,将其分离开来,有效提高了散热器换热效果。图4(c)(d)翅片开有两道缝隙,翅片被分为3部分,靠近空气侧部分较长,中间部分较窄,此结构同样能增加翅片内空气流动扰动,将温度边界层分离,增加散热器换热量。图4(e)(f)是将上述两种开缝结构间隔布置,提高散热器散热性能原理相同。与翅片未开缝之前的温度云图(3)对比,翅片的开缝结构能够增加流动空气扰动,增加空气流入量,使翅片内部空气的流动趋于一致性,使翅片壁面附近的温度边界层分离,各翅片表面的换热系数趋于均匀,每一个翅片的换热效果得到最大提升,增强对流换热的效果,翅片开缝结构是有效的。

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2.2速度边界层分布

5所示是未对翅片进行开缝前散片内部空气流速分布,散热器内流体流动不均匀,空气速度分布一般为刚进入翅片处时速度最大,翅片中间区域速度最小。这是因为在散热器前后空气来流流速反向,翅片入口处速度有最大值,但是散热翅片结构阻碍了来流空气的流动,流动过程中在翅片壁面附近形成速度边界层,随着向翅片内部深入流体流速降低。在翅片中间部位,由于相反流速的来流空气存在相互抵消作用,使得这一部位空气流速降到最低,出现空气滞留现象,形成一个空气滞留区。

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6是经开缝优化后翅片间的流场分布,速度云图中显示了开缝翅片之间空气的流速分布。

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翅片经开缝优化后,开缝结构破坏了翅片的完整性,散热器内部流体在沿翅片长度方向流动的同时,空气还能绕过开缝间隙沿翅片厚度方向流动,空气的流动由单向变为多向,增加流体流动的扰动。与此同时带动了各翅片间空气相互流动,彼此之间能够进行换热。

将开缝优化后的结果列入表1中表示,从表中可以看出,III型结构(t=4mm)对温度降低最明显,I型结构(t=4mm)对速度的提升最显著。

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3结论

3种翅片开缝结构中,I型开缝结构中开缝宽度t=4mm翅片之间空气流速最大,流速提高了18%,III型开缝结构中开缝宽度t=4mm翅片之间温度最低,温度降低了5%以上。翅片开缝结构,可以使空气流动状态由单向变为多向,增加流动空气的扰动,削弱空气滞留作用,达到了强化传热的目的。

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