新型激光熔炼散热器,可有效解决LED照明的散热问题!

   电子分析员        

在这项研究中,研究人员的目标是为喷射冲击冷却下的紧凑发光二极管(LED)嵌入式筒灯(CLRDL)创造具有更高散热能力的散热器。研究人员希望在有限的空间中使用散热器,以保持较低的结温,并允许较高的LED功率。采用选择性激光熔炼(SLM)制造的穿孔翅片散热器(PTFHSs)和金属泡沫式散热器(MFLHSs)与传统翅片散热器(TTFHS)进行了比较。在每个散热器上分别安装了两个雷诺数分别为16916和6594的低速风扇。用COMSOL旋转机械和非等温流动界面进行了数值模拟,采用标准k-层位紊流模型。在此设备上执行了验证。与传统散热器相比,SLM散热器具有较高的Nusselt数和较低的热阻,因为其传热系数较高,传热面积较大。对于在射流冲击冷却条件下具有较大表面积、复杂流道和通风孔的SLM散热器,PTFHS表现出最大的换热增强,其次是MFLHS和TTFHS。研究结果有助于解决高输出光LED照明的散热问题。


相关论文以题为“Selective Laser Melting Heat Sinks under Jet Impingement Cooling for Heat Dissipation of Higher Light Output LED Lighting in a Limited Space”发表在《Applied Sciences》上。


新型激光熔炼散热器,可有效解决LED照明的散热问题!


在过去的几年中,发光二极管(LED)技术有了快速的发展。led现在广泛应用于住宅、商业和工业领域。然而,对于led来说,高光输出的特点是热量更多。因此,热管理是必要的。LED功率24w以上,光输出2000流明以上的筒灯正在市场上成功开发。然而,依靠自然对流进行热管理的散热器往往更重、更笨重。在许多应用中,器件要求极高的光输出,但LED灯的允许安装空间是有限的。这使得紧凑的散热器具有更强的散热性能。


本研究的目的是通过以下步骤来解决上述问题:(1)通过模拟和实验验证来预测所设计的散热器的流体流动和散热性能特性。一个传统的散热器被用作基准来比较各种几何形状的选择性激光熔化(SLM)制造的散热器紧凑的LED凹槽照明。(2)研究改变流速对湍流条件下散热器性能评价的影响。(3)研究喷射冲击冷却条件下,与传统散热器相比具有较高努塞特数和较低热阻的slm制造散热器。


此外,传统散热片散热器的表面体积比很高,翅片形状相对复杂。由于表面积-体积比的增加,从而增加了传热表面积。而随着表面积体积比的增大,弯曲流道的通道相对减小,从而增加了散热器的流动阻力。因此,确定合适的流体流道、通风孔和散热器的高度是至关重要的。由于LED灯的安装空间有限,使用AlSi10Mg合金制造的PTFHS和MFLHS散热器的尺寸和几何形状得到了优化,如图1所示。


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图1.TTFHS (a1) - (a3)、PTFHS (b1) - (b3)和MFLHS (c1) - (c3)的几何设计。


研究了不同雷诺数射流冲击冷却条件下冲击散热设计的性能和设计的冲击散热片的换热性能。通过模拟和实验研究了大表面积换热散热器和带通风孔的穿孔散热器。在实验中,穿孔翅片散热器(PTFHS)、金属泡沫式散热器(MFLHS)和传统翅片散热器(TTFHS)分别安装在10w紧凑LED凹槽筒灯(CLRDL)上,环境温度为25℃。在每个散热器的顶部安装了一个冷却风扇,分别安装了速度分别为6.13和2.71 m s−1的两个冷却风扇来进行空气喷射冲击冷却评估。这确保了CLRDL具有非常低的Tj,从而满足了较长的生命周期要求。


前期研究已经证实,使用PTFHS、MFLHS和TTFHS在自然对流条件下冷却CLRDL符合能源之星寿命要求。高功率散热的LED照明最先进的散热器是一个最重要的要求在最近的新兴时代。使用风扇的高散热能力使大功率LED模块具有优越的散热性能,其中高光通量的室内照明或用于自动光学检测设备的极高强度光源是必备条件。因此,需要对增设风机时SLM散热器的换热性能进行研究。图2展示了在射流冲击冷却条件下的PTFHS、MFLHS和TTFHS热沉设计的数值模拟和实验流程图。由于产生强制对流湍流,通过混合冷却对流增加表面积和散热器穿孔孔之间的整体交互效应应成为CLRDL市场的主导。这些应用需要在有限的空间内极高的光输出。


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图2.喷射冲击冷却下的传统翅片散热器(TTFHS)、穿孔翅片散热器(PTFHS)和金属泡沫式散热器(MFLHS)的设计流程图


结果表明,在空气射流冲击冷却条件下,PTFHS和MFLHS SLM散热器的传热优于常规TTFHS。强化传热技术降低了LED结温,提高了CLRDL的寿命和可靠性。


控制方程和数值模型


图3a、b分别为带LED散热片和带外壳散热片的圆柱形计算域的尺寸。空气射流冲击冷却是利用一个冷却风扇,作为一个旋转的机械装置产生。使用COMSOL Multiphysics软件5.3版本进行几何建模、网格网格网格划分、物理建模、求解和后处理来模拟结果。为了精确模拟射流冲击冷却条件下散热器的散热性能,将旋转机械与非等温流动界面耦合,采用标准的k-层间湍流流动模型来研究湍流流场中的换热。通常,连续性方程支配质量守恒,而Navier-Stokes方程支配动量平衡。旋转的部分被冻结在位置上,旋转是由科里奥利力和离心力的作用来解释的。因此,通过假设系统的拓扑结构相对于旋转参照系,数值模拟的旋转流是固定或冻结的。这为模拟伪固定配方节省了大量的计算时间和资源。


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图3.喷射冲击冷却系统的计算域的等距视图,(a)带LED的散热器,(b)带LED和外壳的散热器。


在旋转机械的界面上计算了准定常流动。通过对圆管的轴向、切向和径向流速分量的模拟,可以进行数值验证和实验验证。该CLRDL通过温度梯度发生非等温流动。


散热器样品制作


图4所示的PTFHS、MFLHS和TTFHS在实验验证之前进行了实验测试。所制备的PTFHS、MFLHS和TTFHS样品分别如图4a-c所示。PTFHS和MFLHS由SLM制造的AlSi10Mg散热器组成,TTFHS是用铝压铸材料制作的。


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图4.散热器(a) PTFHS, (b) MFLHS, (c) TTFHS。


实验装置


图5a,b展示了验证数值模拟的实验装置。图5a描述了带LED的PTFHS的实验设置。图5b显示了带有LED和外壳的聚四氟乙烯测试盒,该测试盒位于一个透明的丙烯酸钢瓶测试盒中,测试盒有一个直径为38毫米的进口和一个直径为140毫米的全开口出口。采用透明压克力缸试验箱进行喷射冲击冷却。通过冷却风扇,以恒定的温度(Tjet = 25℃)和速度将空气从进口孔吹入试验箱。将冷却风扇、散热器、LED模块用进口孔下的螺丝组装安装在气缸测试箱的顶壁上,用以评估散热器的性能。实验装置与数值分析所用的计算区域相同。在实验测试之前,两台冷却风扇用于产生较高和较低雷诺数的流动,并使用风速表进行测试。试验结果表明流速分别为6.13 m s−1和2.71 m s−1。


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图5.带LED和外壳的聚四氟乙烯实验装置原理图。(a)带LED的散热器,(b)带LED和外壳的散热器。


结论


在本研究中,研究人员首先数值研究了使用SLM制造的散热器在射流冲击冷却下对CLRDL散热性能的改善。以TTFHS的优化表面积为基准进行了设计。用9个试验箱对其传热系数、努塞尔数和热阻进行了测试。通过实验验证了数值模拟结果。测量了它们的温度响应的一些详细的指定温度点。在射流冲击冷却条件下,进口气流速度、散热器换热表面积和散热器几何形状是影响其换热性能的主要因素。下面是研究人员的一些总结:


(1)采用SLM方法,无论湍流气流雷诺数是低还是高,PTFHS的传热性能都是最高的,其次是MFLHS和TTFHS,这是因为PTFHS的传热表面积增大,气流阻力减小。虽然MFLHS增加了传热表面积,但由于其相对狭窄的气流通道阻碍了与环境的热交换,其传热性能不如PTFHS。


(2)基于TTFHS的比较,提出的PTFHS和MFLHS分别增加了10.3%和7.7%的Nusselt数,降低了40.3%和13.0%的热阻,实现了23.6%和24.6%的减重。这提高了传热率,降低了LED照明模块的重量。因此,它允许CLRDL增加LED功率超过10瓦,以满足进一步的光输出需求。


(3)该研究有助于应用射流冲击冷却技术,解决空间狭小、散热要求大的问题。数值模拟结果与实验结果基本一致。这种一致性验证了将CLRDLs与聚四氟乙烯(PTFHS)、多氟乙烯(MFLHS)和三氟乙烯(TTFHS)一起在高热源温度环境下使用的方法,并将LED的结温保持在较低水平,以确保LED延长能源之星规定的使用寿命。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3898/htm



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