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功率型发光二极管散热器结构优化设计
作 者: 姬升涛
导 师: 李静;毛基森
学 校: 华南理工大学
专 业: 化学工程
关键词: 功率型LED CPSEFR 整体式重力热管 强化传热 数值模拟
分类号: TK124
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
LED(Light-emitting diode)是注入式电致发光元件,具有光效高、环保、寿命长、方向性强、显色性好等特点,已广泛用于显示、装饰、道路及一些特殊照明领域。LED的光电转换效率为10%~25%,75%~90%的能量转换成热能,本文所使用的LED灯珠的光电转换效率20%。随着LED高度集成化发展,发热量线性增长,芯片温度升高,导致光源性能下降。因此,散热问题是LED发展的关键技术瓶颈之一。本文目的是设计单颗芯片功率大于0.5W的功率型LED散热器,研究结构参数对散热性能的影响,通过优化结构和改善热传导能力强化散热,解决LED的热问题。本文为功率型LED模块设计了带有遮板的具有烟囱效应的肋片式散热器(Cover Plate Stack Effect Fin-type Radiator, CPSEFR)和整体式重力热管散热器。首先,采用实验和数值模拟方法研究CPSEFR的散热性能;其次,对整体式重力热管进行模型设计、理论分析和计算其散热能力。首先,通过实验研究,CPSEFR将输入功率为56W和126W的LED模块的芯片温度分别控制在48.3℃、66.5℃;不同位置的灯珠温度均一性好;各组件的温度随功率的增大线性增加,芯片温度随单颗灯珠发热功率增加的线性拟合函数为y = 33.611 + 14.523x;功率从56W增加到126W的过程中,空气与芯片热源和空气与基板间的热阻值先降低后趋于平缓,最大与最小值相差约0.06℃/W,基板与引脚的热阻降低0.009℃/W左右。其次,通过数值模拟研究,散热器z方向流道和x方向侧部开槽流道内流体呈指数曲线流动;侧部开槽加强了z方向流体的扰乱程度,强化对流传热,是增强散热器散热能力的重要措施。CPSEFR的模拟值与实验值比较,运用Fluent软件得到的数值模拟结果与实验值非常接近,平均误差为2.67%,验证了数值模拟的正确性和实用性。散热器的散热能力随肋片间距的增加先增大后趋于平稳;随肋片数量的增加先增大后减小;基板尺寸的变化对散热器的散热能力影响较弱;侧部适当开槽有利于强化散热。最后,理论分析和计算发现,整体式重力热管散热器的理论最大传热量为0.355 W/cm2,能将输入功率为28W的LED模块芯片温度控制在36℃左右。研究成果可运用于工程实际,对于开发功率型LED新型结构散热器,提高散热器的散热性能,促进LED照明行业的发展具有重要意义。
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全文目录
摘要 5-6 ABSTRACT 6-11 第一章 绪论 11-27 1.1 LED 概述 11-16 1.1.1 LED 光源简介 12-14 1.1.2 LED 照明发展瓶颈 14-15 1.1.3 功率型 LED 热设计 15-16 1.2 LED 封装级热设计研究进展 16-21 1.2.1 芯片热性能研究 17-19 1.2.2 粘结材料及涂层材料研究 19 1.2.3 LED 封装技术研究 19-20 1.2.4 不同因素对 LED 性能的影响 20-21 1.3 LED 系统级热设计研究进展 21-25 1.3.1 被动式散热技术 21-22 1.3.2 主动式散热技术 22-25 1.4 本文研究意义及内容 25-27 第二章 LED的CPSEFR散热性能实验研究 27-44 2.1 热量传递理论基础 27-31 2.1.1 热量传递基本方式 27-29 2.1.2 能量平衡控制方程 29-30 2.1.3 数据分析方法 30-31 2.2 LED 的CPSEFR 设计 31-33 2.2.1 LED 的CPSEFR 概述 31-33 2.2.2 设计功率型 LED 新型结构散热器 33 2.3 CPSEFR 制作及LED 装配 33-34 2.4 CPSEFR 性能实验 34-37 2.4.1 实验装置及仪器 35 2.4.2 试验系统 35-36 2.4.3 实验步骤 36-37 2.5 实验数据分析 37-43 2.5.1 LED 芯片温度均一性分析 37-39 2.5.2 LED 模块的不同部件的温度分析 39-42 2.5.3 CPSEFR 热阻分析 42-43 2.6 小结 43-44 第三章 CPSEFR数值模拟研究 44-58 3.1 Fluent 软件简介 44-45 3.2 数值控制方程 45-46 3.3 流动模型 46-48 3.3.1 求解模型的建立 47 3.3.2 定义物质属性 47-48 3.4 CPSEFR 模型的建立 48-49 3.4.1 物理模型的建立 48-49 3.4.2 数学模型的建立 49 3.5 网格划分及边界条件设置 49-51 3.5.1 网格划分 49-50 3.5.2 边界条件设置 50-51 3.6 数值模拟结果分析 51-55 3.6.1 散热器流场及温度分布 51-53 3.6.2 散热性能随功率的变化 53-55 3.7 实验结果与数值模拟对比 55-57 3.8 小结 57-58 第四章 结构参数对CPSEFR散热性能的影响 58-66 4.1 肋片间距对散热性能的影响 58-60 4.1.1 温度随肋片间距变化特性 58-59 4.1.2 传热系数随肋片间距变化特性 59-60 4.2 肋片数对散热性能的影响 60-62 4.2.1 温度随肋片数变化特性 60-61 4.2.2 对流传热系数随肋片数变化特性 61-62 4.3 其他参数对散热性能的影响 62-65 4.3.1 温度随其他参数变化特性 62-63 4.3.2 对流传热系数随其他参数变化特性 63-65 4.4 小结 65-66 第五章 LED整体式重力热管散热器研究 66-73 5.1 热管传热机理及模型建立 66-69 5.1.1 热管传热机理 66-67 5.1.2 相变传热数学模型 67-68 5.1.3 整体式重力热管模型建立 68-69 5.2 热管散热器理论分析 69-72 5.2.1 热管散热器热阻分析 69-70 5.2.2 传热能力计算 70-72 5.4 小结 72-73 结论与展望 73-75 参考文献 75-81 攻读硕士学位期间取得的研究成果 81-82 致谢 82-83 附件 83
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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 热力工程理论 > 传热学
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