大功率LED的热管散热仿真研究
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-12- 科学技术创新2019.15大功率LED 的热管散热仿真研究尚洁冯志垒母佳鑫(成都理工大学，四川成都610059)摘要:LED-般都是集成产品，由许多个LED 集成在一起使用的，这样产晶就是用非常大的功率，所以必定会产生大量的 热量。
本文主要运用Pro/Engineer 来进行三维机械建模，构建出一个包括了大功率LED 集成热源、热管、以及热沉三个主要部分 的三维散热模型，再运用FLoEFD 来进行热仿真，通过对于试验模拟数据的分析对比，得到了在LED 功率相同的情况下减小热管 的有效热阻可以提升大功率LED 的散热效果使得LED 及PCB 板的温度降低而热沉的温度相对提高，证明了热管的有效热阻在 适当的范围内阻值越小它的导热效率越好，而在热管的有效热阻不变的时候，通过改变LED 的功率得到在不超过LED 的有效节 温125七的范围内LED 的功率越大热管散热的效果越明显，说明热管非常适合进行大功率LED 丝散热。
关键词：大功率LED ;热管:Pro/E 三维机械建模:FLoEFD;热仿真；热沉中图分类号:TN305.94,TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4390 (2019)15-0012-021 LED 热管散热工作原理热管从它的结构上来看主要由三部分组成管壳体，吸液芯 和端盖，整个热管内部是被抽成真空态的，一般为Pa 的负压状 态叫热管主要通过内部的液态工质受热蒸发再到冷凝,快速有效的重复这个过程，将大功率LED 的热量传输到热沉中.再通过热沉与空气的自然对流将热量传播出去。
2 LED 热管散热的几何建模和热建模2.1设计流程图1设计流程图根据流程图首先要通过Pro/E 软件来进行模型的三维几何 建立叫 在模型建立完成之后在FLoEFD 中为LED 集成热源、 PCB 、热管及热沉定义固体材料。
其中LED 集成热源定义为半 导体材料硅，PCB 为Tutorial PCB,热管的材料定义为软钢。
FloEFD 进行热建模仿真，通过热仿真可以分别得到模型的表面 热分布图、切面热分布图、以及空气热流动图。
通过对于热管的有效热阻的数据、热源功率的变化得出不同的数据结果分析数 据并与大功率LED 单独存在时的温度进行对比，最终得出有效 的结论。
2.2几何建模首先通过Pro/E 软件设计岀大功率LED 热管的3D 模型，如 图 2-20图2大功率LED 的散热3D 模型这个散热模型主要是由四个主要部分组成，分别为热管、热沉、PCB 以及LED 集成热源。
通过Pro/E'3'的草绘模块画出模型各个基础组件的二维图形，调整好模型的大小，接着通过零件模块制作模型的3D 图形。
热沉的材料定义为铝6061它有很好的散热效果，因为热沉中的翅片与空气有着大面积的接触，通过空气对流与热对流将大量的热量散出。
图2中热源立方体模型被定义为大功率LED的集成热源，材料定义为半导体GaN 组成。
大功率LED 的集成热源的热功率可以使十几瓦特，甚至是几十瓦特。
本文采用10W 、20W 、30W 来进行分析。
热管具有两个重要的表面，分别是热输入面与热输出面。
热输入面连接着大功率LED 集成热源和 PCB,热输出面连接着热沉。
通过改变热管的有效热阻来分析热 管的散热效果。
本文中主要分析了热管的有效热阻为0.1K/W 、 0.3K/W 、0.5K/W 以及1K/W 时的散热情况，模型中热管的材料 定义为软钢。
2.3热建模运用FLoEFD 热建模软件来进行模型的热仿真，在建模的过 程中首先需要设置模型热仿真的工作环境在压力值为 101325Pa,室温为298K 。
接着对通过Pro/E 中设计的3D 模型的作者简介：尚洁(1994,12-),性别：女,籍贯：山东省肥城县，学历：研究生，单位:成都理工大学，研究方向：信息与通信工程。
冯 志垒(1993,1-),性别：男，籍贯：山东省潍坊市，学历：研究生，单位：成都理工大学，研究方向：地震灾害救援与物联网。
母佳鑫 (1993,6-),性别：男，籍贯：四川省广元市，学历：研究生，单位：成都理工大学,研究方向：智能优化，深度学习。
2019.15科学技术创新-13-各个部件插入固体材料，对模型整体定义的缺省材料为合金软钢，将热沉插入铝6061,PCB板插入Tutorial PCB.LED热源插入半导体材料硅。
根据仿真出来的结果来分析LED的功率对于热管散热效果的影响。
对于热管的固体材料就默认为初始的缺省材料软钢，热管具有输入面和输出面两个重要的面，输入面紧贴着PCB板下表面将热源的热量通过输入面传入到热管中，再通过输出面将热量送到热沉中。
如图2-3是整体大功率LED 的散热仿真表面温度图，可以得到模型各个部件的表面温度数据，根据数据的变化能够分析出热管散热的效果以及影响热管散热的因素。
图3模型表面温度图热仿真主要通过改变热管的有效热阻来观察有效热阻对于散热效果的影响，所以研究中用到的有效热阻分别为0.1K/W、0.3K/W、0.5K/W、1.0K/W。
在热仿真过程中如果PCB板与热管的输入面温度接近，说明热管处于正常工作状态。
为了使得热仿真的数据更加精确,也为了能够更好地得到模型中一些细微狭窄部分的温度以及它的流动特性,从而在LED热源以及热沉上插入了局部初始网格。
网格细化有大致四种针对流体的网格，针对固体的固体网格，和部分网格和不能确定网格内部各物质界面的网格。
在本文中,首先定义了初始网格等级为2级，初始网格的等级可以控制基础网格的数量，和模型里的狭长通道的网的细化。
网格越密的地方计算越精确相邻的两个网格相差的级别不能超过1级,并且相邻的级别是遵从依次递进的(L为级数)。
3热仿真数据分析根据热仿真所得到的结果，首先分析在相同的大功率下改变热管的有效热阻对于整体的模型散热的影响。
LED的功率为10W的情况下热管的有效热阻为0.1K/W时的切表面温度图显示，通过点温度测量得到了LED热源的局部温度为54.32、PCB板的局部温度为36.85、热管的输入面局部温度为35.61P、热管的输出面局部温度为35.19P、热沉的局部温度为34.55^Co有效热阻为0.3K/W时点温度测量得到了LED热源的局部温度为55.58T、PCB板的局部温度为37.38T、热管的输入面局部温度为35.41r,热管的输出面局部温度为35.00%：、热沉的局部温度为34.40^。
有效热阻为0.5K/W时点温度测量得到了LED热源的局部温度为56.80T、PCB板的局部温度为38.73七、热管的输入面局部温度为35.24七、热管的输出面局部温度为34.84T、热沉的局部温度为34.10T。
有效热阻为I.0K/W时点温度测量得到了LED热源的局部温度为59.44T、PCB板的局部温度为42.23七、热管的输入面局部温度为34.841、热管的输出面局部温度为34.45、热沉的局部温度为33.9代。
从以上的有效热阻对热管散热的影响分析数据中可以看出，在功率相同的情况下热管的有效热阻为0.1K/W的时候LED的温度最低热沉的温度也最高，而有效热阻从0.3K/W到1.0K/W是LED温度在逐渐的增高,热沉的温度在逐渐的下降。
热管散热的目的是为了降低热源的温度保护热源提高LED的使用寿命，所以最好的散热效果是有效降低热源的温度并且提高从热管传输到热沉的温度，所以说明了在相同的功率下热管的有效热阻越小，散热效果越好。
接着分析在相同有效热阻的情况下功率的大小对于热管散热效果的影响。
分析在没有热管以及热沉的情况下单独的大功率LED的局部切面温度。
得出对于同一有效热阻，不同功率下的热源温差在有效热阻为0.1K/W时热源功率为10W时的散热温差为206.31七，20W时的散热温差为374.451,30W时的散热温差为532.09^0有效热阻为0.3K/W时热源功率为10W时的散热温差为205.05T：,20W时的散热温差为371.78T,30W 时的散热温差为527.99P。
有效热阻为0.5K/W时热源功率为10W时的散热温差为203.83X：,20W时的散热温差为369.62P,30W时的散热温差为524.59P。
有效热阻为1K/W时热源功率为10W时的散热温差为201.19七,20W时的散热温差为364.12t,30W时的散热温差为516.40%：□(这里需要注意在热源功率为30W,有效热阻为1K/W时热源的温度为127.391,超过了LED的最大温度范围。
)分析温差可以发现在不超过LED最大温度范围时热源的功率越大，热管的散热效果越明显，这也是对于热管散热一般适用于大功率LED的证明。
有效热阻的越小的温差比有效热阻大的温差大，同时也能再次证明有效热阻越小，热管的散热效果越好。
结束语通过对于热仿真结果的分析，得出了主要两个结论:第一当热源功率保持不变的情况下减小热管的有效热阻对于大功率LED的散热效果更好，能够有效降低热源的温度并且提高热沉的温度，通过翅片与空气的大面积接触快速传递出热量。
第二当在同一个热管有效热阻的情况下，逐渐提高热源的功率(保证LED的温度不超过125七)时热管的散热效果更明显，能够将大量的热穿入热沉中，说明热管能够高效的利用与大功率LED的散热中。
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