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大功率LED阵列散热技术分析研究

作　者: 张欣
导　师: 李如春
学　校: 浙江工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 大功率LED阵列微通道散热器热阻 FLUENT软件仿真分析
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 4次
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内容摘要

功率型白光LED作为新一代半导体照明光源,具有寿命长、能耗低等优点,正日益受到广泛的关注及研究。目前,对于大功率LED阵列,其热流密度已达到100W/cm2,但它只能将约20%的电能转化为光能,剩下80%的能量都转化为了热能。若不能及时有效地消除这些热量,将会导致LED结温升高,降低PN结发射出的光子数量,减小发光效率,并对白光LED的色温、色度产生重要影响,影响光源质量,加速器件老化,缩短使用寿命。因此,散热成为大功率LED阵列急需解决的重要问题。本论文对大功率LED阵列的散热技术进行了分析和研究,设计了基于液态冷却的微通道散热器,并对其结构进行了优化分析和仿真。根据热阻的物理意义,由传热学和流体力学的理论知识推导出了热阻与微通道散热器通道宽度、冷却液流速的关系式,在此基础上,通过理论优化和MATLAB仿真分析,得出了通道宽度、冷却液流速的最优值,从而提高微通道散热器的散热效率。由于理论分析采用的是简化解析模型,为了能够较准确直观地表征微通道散热器的散热性能,本文采用计算流体力学软件FLUENT进行了模拟仿真。首先,在热源功率相同的条件下,对运用空冷散热器和水冷散热器的大功率LED阵列的温度场进行了仿真分析,并与微通道散热器的散热效果进行了比较,以说明微通道散热的优越效果。然后,仿真优化了所设计的微通道散热器的通道宽度和冷却液流速的大小。仿真结果表明：当散热器总尺寸固定时,在一定范围内,通道的宽度越小,散热面积越大,散热效率也就越高。但随着通道宽度的减小,冷却液的动力粘度会增加,导致流速减慢,影响散热效果。当散热器通道宽度为0.1mm,散热效果最好。对于冷却液流速,随着流速的增大,微通道散热器的温度分布云图的最高温度明显下降,散热效果增强。但冷却液流速不可以无限的增大,因为冷却液流速越大,所需入口压力也会越大,微通道的沿程阻力损失也会增大。在实际应用中,还要考虑水泵能够提供的最大压力,当冷却水流速为1m/s时,散热器的散热效果最好。当微通道宽度为0.1mm,冷却水流速为1m/s时,仿真得到微通道散热器的最低热阻可达0.019W/℃。最后,针对大功率LED阵列表面温度分布不均匀的现象,本文提出采用变通道宽度的微通道散热器,并对其进行了温度场分布的仿真分析。仿真结果表明,此方法有效解决了大功率LED阵列中央部位温度远高于边缘温度的问题,使温度分布趋于均匀。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题研究的背景和意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
  1.3 论文的主要内容  15-17
第2章大功率LED阵列及其散热技术概述  17-29
  2.1 大功率LED阵列结构、工作原理和应用  17-22
    2.1.1 LED的结构  17-18
    2.1.2 LED工作原理  18-19
    2.1.3 大功率LED阵列的应用  19-20
    2.1.4 大功率LED阵列的热效应及其影响  20-22
  2.2 大功率LED阵列的散热技术  22-27
  2.3 表征散热效果的技术指标  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章基于微通道散热的大功率LED阵列的结构设计和理论分析  29-42
  3.1 基于微通道散热的大功率LED阵列的结构设计  29-31
  3.2 流体力学及传热学理论基础  31-36
    3.2.1 传热与流动控制方程  31-32
    3.2.2 传热学理论  32-34
    3.2.3 流体力学理论  34-36
  3.3 基于微通道散热的大功率LED阵列结构的理论优化  36-41
    3.3.1 微通道散热器的热阻  36-38
    3.3.2 通道宽度的理论优化  38-39
    3.3.3 流体流速的理论优化  39-40
    3.3.4 微尺度效应对散热效率的影响  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章基于微通道散热的大功率L印阵列的建模仿真和参数优化  42-58
  4.1 计算流体力学软件FLUENT简介  42-44
  4.2 基于微通道散热的大功率LED阵列的仿真模型建立  44-48
    4.2.1 仿真模型  44-46
    4.2.2 网格划分  46-47
    4.2.3 边界条件设置  47
    4.2.4 解算器设定  47-48
  4.3 基于风冷散热与水冷散热的大功率LED阵列散热效果的仿真分析  48-50
  4.4 基于微通道散热器的LED阵列散热效果仿真优化  50-55
    4.4.1 通道宽度的仿真优化  50-52
    4.4.2 冷却液流速的仿真优化  52-55
  4.5 大功率LED阵列表面温度均匀性的仿真优化分析  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第5章总结与展望  58-60
  5.1 总结  58
  5.2 展望  58-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
攻读学位期间参加的科研项目和成果  64

大功率LED阵列散热技术分析研究

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