引言

隨著LED新光源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，特別是大功率LED產(chǎn)品的廣泛應用，這對產(chǎn)品的散熱性能提出了越來越苛刻的要求，即在保證產(chǎn)品散熱性能的前提下，還得盡可能使得產(chǎn)品更輕便。鋁型材由于在散熱性能、輕質及環(huán)保等方面的優(yōu)勢，已發(fā)展成為LED光源的首選散熱材料。本文，利用數(shù)值模擬分析的方法對一常用的LED用散熱鋁型材進行結構優(yōu)化設計，以期在原有產(chǎn)品的基礎上通過結構參數(shù)的改進進一步提升型材的散熱性能。

粵港關鍵領域重點突破項目（2010Z2105）：大功率LED散熱器用新型稀土鋁合金材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化

1 實驗研究方法

本文以鋁合金翅片散熱型材為研究對象，選擇其三個主要結構參數(shù)作為研究的出發(fā)點，這3個因素分別為齒高A，齒厚B及齒間距C，每個因素取3種水平，綜合分析，不考慮交互作用，采用正交表L9（34）來安排實驗；利用Pro/E分別建立實體模型[1]，導入到ANSYS中進行數(shù)值模擬分析；根據(jù)實驗結果，通過對正交實驗結果的直觀及方差分析，找出各結構因素對多頭螺旋管綜合傳熱性能影響的主次關系，從而完成對多頭螺旋管結構的優(yōu)化。

2 載荷及邊界條件

固體壁面處確定為無滑移條件，為了簡化計算模型，假定換熱過程，材料的物性參數(shù)為常值，型材底面平壁以恒定的溫度載荷形式施加，翅片上施加對流換熱載荷[2]，具體的載荷及材料物性參數(shù)如表1所示。

 

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 數(shù)值模擬結果

圖1以云圖的方式反映了鋁型材散熱過程中的溫度場分布，從圖中不難看出，溫度由底板至齒尖沿著散熱方向依次降低，結合圖2翅片型材徑向上的溫度分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)，沿散熱方向，系統(tǒng)的溫降趨勢逐漸減慢，到達齒尖處趨于穩(wěn)定值。隨著散熱的進行，由于溫差的減少使得散熱效果逐漸降低，從而出現(xiàn)上述圖示趨勢[3-4]。

3.2 正交實驗的直觀分析

利用ANSYS中的數(shù)據(jù)截取功能獲得了不同結構參數(shù)散熱型材的溫度分布數(shù)據(jù)，而后計算出各模型沿散熱方向上的溫降參數(shù)作為表征型材散熱效果的特征值[5]。表2示出了正交試驗各因素的水平情況，表3則列出了實驗方案及數(shù)值分析得出的結果，表中所示，溫差越大說明型材的傳熱性能越好。

圖為：鋁型材散熱器正交實驗方案及結果分析

 

從表3中不難發(fā)現(xiàn)，在3個研究的因素中，RB>RA>RC，這說明因數(shù)B（齒厚）對翅片散熱型材的換熱性能影響最大，其次為A（齒高），而C（齒間距）的影響相對較為次要。為確定優(yōu)選方案，需對各因素分別進行分析[2]：

A因素：K3>K2>K1；B因素：K1>K2>K3；C因素：K2>K3>K1

圖3示出的反映因素與指標間關系的趨勢圖，更是直觀地表征了各因素對評價指標溫降的影響狀況，故結合表3的結果分析及趨勢圖，可初步確定優(yōu)化方案為A3B1C3。

圖為：鋁合金散熱器溫降的影響狀況分析及趨勢圖

 

3.3 正交實驗的方差分析

為進一步了解各結構因素對翅片散熱型材換熱性能的影響，同時估計正交實驗結果的誤差，需對正交試驗分析結果進行方差分析，假設給定顯著性水平 ，通過F檢驗來考察因素對實驗結果有無顯著性影響[2]。從表4中不難發(fā)現(xiàn)，對于傳熱性能，A因素和B因素的影響顯著，而對于C因素，由于 ，說明齒間距對翅片散熱型材的傳熱性能影響不顯著。故綜合正交試驗的直觀分析，可確定優(yōu)化后的型材結構參數(shù)，即翅片散熱型材的齒高為30mm，齒厚為0.5mm，齒間距為2.0mm。

圖為：鋁合金散熱器溫降正交實驗的方差分析

4 結論

本文以LED用散熱鋁型材為研究對象，利用Pro/E建立不同結構參數(shù)的散熱型材實體模型，通過ANSYS中的傳熱分析模塊對散熱型材的換熱過程進行三維數(shù)值模擬。研究采用正交實驗的方法，探究了換熱過程中散熱型材各主要結構參數(shù)對其傳熱性能的影響。結果表明：齒高和齒厚對散熱型材的散熱效果影響最大，隨著齒高的增加及齒后的減薄，其散熱性能增強，而齒間距的變化對其作用相對較小。
1)翅片散熱型材的散熱性能受齒厚及齒高的影響最為顯著，而齒間距對其作用不明顯，隨這齒高的增加及齒厚的減小，其散熱性能提升明顯。

2)通過對正交試驗結果的直觀及方差分析，得到了最終的優(yōu)化方案為A3B1C3，也即翅片散熱型材的齒高為30mm，齒厚為0.5mm，齒間距為2.0mm。