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功率型LED散热器结构热分析与优化设计

姚泽民  
【摘要】:LED(Light Emitting Diode)是一种注入式固态冷光源。LED为第四代光源具有发光效率高、使用寿命长以及节能环保的优点,得到国家政府的重视与财政支持,目前已经在室内照明、道路照明、装饰等领域得到了广泛的应用。然而,由于LED芯片电光转换效率低,有约80-90%的电输入功率转换为了热量,热量无法散失将导致LED芯片结点温度上升,影响使用寿命、导致光衰,因此,目前LED热管理问题成为了制约LED照明技术发展的技术瓶颈。 本文针对LED存在的热管理问题,综述了近年研究LED热管理相关文献,分析LED热量产生的原因,热量传递的途径、热阻以及解决LED热量管理的方法手段。对室内LED照明的散热采用理论设计、试验测试与数值仿真相结合技术方法,分析散热器结构以及性能,对大功率路灯利用数值仿真方法进行散热结构设计与优化,本文的主要研究工作内容如下: (1)针对室内照明LED散热的需求,设计了两款具有烟囱效应并且顶部带有防尘设计的散热器。理论计算了在自然对流换热的情况下,环境温度为30*C的高温条件下,散热器的平均温度分别为48.73℃,46.62℃,散热器的热阻分别为4.6819K/W,4.1060K/W,均可以满足LED散热的要求。 (2)对设计的室内照明LED散热器进行加工,并建立试验测试平台。在试验环境温度为30.53℃条件,测试了在散热器表面无涂覆散热涂料散热器的性能,实际测得LED芯片的温度55.13℃、55.69℃,芯片的温度相差在1℃以内,说明LED芯片温度具有良好的均一性。试验分析在散热器在表面涂覆散热涂料后散热器性能以及在不同功率条件下散热器以及芯片测试点温度与散热器的热阻随功率的变化,分析表明应用散热涂料后LED芯片的温度下降了3.67℃,说明散热涂料增加了散热器的表面辐射能力。 (3)根据设计的散热器利用软件建立模型,应用CFD软件对LED散热器性能进行分析,并试验测试数值进行比较。数值仿真结果表明LED芯片监测点温度为56.2℃与试验数据最大误差为1.904%。同时利用数值仿真分析了功率因素、倾角因素、环境温度因素以及空气流速因素对LED散热器对流换热系数以及辐射传热量的影响,最后利用正交试验的方法对散热结构进行优化设计,数值分析表明LED:芯片的最高温度为54.57℃。 (4)针对大功率LED路灯设计一款具有烟囱效应并且翅片上开设通风孔的散热器。分析了开孔大小对散热器的性能的影响,结果表明散热器可以将LED芯片的温度控制70℃以下,当开孔尺寸为2mmm时散热器的热阻最小,其值为1.1607K/W。同时,设计了两款热管散热器,数值分析表明应用平板型热管散热器,散热器底部温度分布均匀无热点现象。对平板热管散热器利用正交设计的方法,以芯片的温度与散热器的重量为试验指标,分析散热器结构因素对试验指标的影响,得到最优的设计方案,并对最优的设计方案进行数值模拟分析,结果表明芯片的最高温度为55.75℃,散热器的平均温度为52.17℃,对流换热系数为6.005W/m2·K,辐射传热量为5.3073W,散热器的质量为229.978。 本文研究成果可以在实际工程应用,对功率型LED散热器设计与优化,解决LED热量管理问题具有一定的实际指导意义。


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