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LED散热过程的数值模拟及性能优化研究

作　者: 钟达亮
导　师: 秦红
学　校: 广东工业大学
专　业: 热能工程
关键词: LED 热电制冷散热数值模拟性能优化
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

照明消耗是社会能耗的重要组成部分,约占整个电力消耗的20%,通过新型光源的开发来降低照明用电是节能的重要途径。与传统的照明设备相比,发光二极管(LED)具有效率高、寿命长、能耗低等优势。温度的升高是LED的最大威胁之一不仅影响LED的发光性能,还最终导致LED失效。为了防止LED器件出现热失效需进行热控制,而热设计是实现热控制的有效途径。相对于传统的散热技术,热电制冷因其精确控温及响应时间短的优点引起了人们的广泛关注,然而对其应用在LED散热中的性能研究还不够深入,因此有必要对其进行更为深入的研究。论文在广泛查阅文献的基础上,对热电制冷技术的工作原理、研究进展及存在的问题进行了详细评述。采用了理论分析、实验测试和数值模拟相结合的研究方法对LED热电制冷系统的传热过程进行研究,同时与空气强制对流冷却和自然对流冷却进行了比较研究。主要研究工作及总结包括以下几个方面：(1)建立了包括帕尔贴效应、塞贝克效应、汤姆逊效应、焦耳效应及傅里叶效应在内的热电制冷分析模型,列出了热电制冷器(TEC)的制冷性能关于热电材料的塞贝克系数、电阻和导热系数的定量关系式,对其制冷性能进行了理论分析。分析结果表明,对于某一TEC而言,工作电流是影响其制冷性能的重要参数。TEC的工作电流直接影响到制冷量、冷热面温差和制冷效率,可以通过调节工作电流来实现对LED芯片精确控温。分析结果同时表明TEC在工作中存在一最佳电流。通过实验测试得到TEC在有热负载情况下的最佳电流集中在2.5 A至3.5 A之间。(2)建立了LED芯片热电制冷散热系统的传热模型,用热阻网络的方法对各部分的传热性能进行分析。结果表明,LED芯片功率、TEC制冷性能、热沉的结构、风扇的风速均是影响该散热系统性能的重要参数。在实验测试中改变LED芯片功率及调节风扇风速得到不同的LED芯片表面温度。研究表明,其它条件一定的情况下,芯片功率越小,芯片表面温度越低；风扇风速越快,芯片表面温度越低。(3)引入空气强迫对流散热系统,将热电制冷散热系统与之比较,通过实验的方法和数值模拟计算的方法分别对两种散热系统的散热性能进行研究,结果表明,当热沉表面风扇面风速为3.6m/s且LED芯片功率不高于30W时,热电制冷散热系统的散热性能好于相同风速下空气强迫对流散热系统。(4)建立了LED芯片热电制冷散热系统数值模型,通过分析TEC工作电流从2.0A至3.0A变化时20W功率的LED芯片表面温度数据来评价TEC制冷性能的参数,主要包括冷热端的温差、制冷量、功耗和制冷系数(COP)等参数。冷热端的温差随着电流的增大而增大；TEC冷端制冷量、热端散热量和功耗均随着电流的升高而增大；COP随着工作电流的增大而减小,而随着电流的增大,COP的减幅渐渐缩小。(5)在风扇面风速不超过3.6m/s时,针对LED芯片功率在30W以下的散热,选用TEC散热系统的性能要好于空气对流散热系统。然而,热电制冷器自身的能耗在LED系统封装总能耗中占了相当一部分,因此有必要对其进行经济性研究。经济性分析结果表明,使用TEC用于LED芯片散热,当LED芯片功率为20W或30W时,LED灯相对于节能荧光灯能节省24.67%到41.78%的电能,但当LED芯片功率为10W时LED灯要比节能荧光灯多消耗1.51%的电能。本论文通过对LED芯片热电制冷散热系统强化传热与应用的研究,扩展了包括LED系统封装在内的电子封装热管理理论研究体系,为进一步研究LED芯片热电制冷散热系统的性能及系统结构、材料性能优化设计提供了参考,同时本文也提出通过温度反馈控制驱动电流的方法来达到TEC节能的目的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
物理量名称与符号表  9-11
目录  11-17
第一章 LED系统散热概述  17-27
  1.1 课题研究的背景和意义  17-20
    1.1.1 LED的简介  17-19
    1.1.2 LED热失效机理  19-20
  1.2 LED系统散热方法介绍  20-22
    1.2.1 自然对流散热  20
    1.2.2 空气强迫对流散热  20-21
    1.2.3 液体冷却散热  21
    1.2.4 热管散热  21-22
    1.2.5 热电制冷散热  22
  1.3 热电制冷在LED系统散热中的研究进展  22-25
    1.3.1 热电制冷器工作原理  22-23
    1.3.2 热电制冷器的优化方法  23-24
    1.3.3 热沉散热性能研究及其优化方法  24-25
  1.4 本研究课题的来源及主要研究内容  25-27
第二章热电制冷理论及其散热系统传热模型分析  27-35
  2.1 热电制冷理论分析  27-31
    2.1.1 五种热电效应  27-29
    2.1.2 热电制冷器热性能分析  29-31
  2.2 热电制冷散热系统传热模型分析  31-35
    2.2.1 热电制冷散热系统热阻网络分布  31-32
    2.2.2 系统各部分热阻的计算方法  32-35
第三章 LED芯片热电制冷系统散热性能的实验研究  35-48
  3.1 实验目的与实验原理  35-38
    3.1.1 实验目的  35
    3.1.2 实验原理  35-38
  3.2 实验台设计及实验过程  38-42
    3.2.1 试验台设计与搭建  38-40
    3.2.2 实验过程  40-42
  3.3 实验数据关于影响LED芯片表面温度的因素分析  42-44
    3.3.1 LED芯片功率的影响  42
    3.3.2 TEC工作电流的影响  42-43
    3.3.3 风扇面风速的影响  43-44
  3.4 影响系统总热阻的因素分析  44-45
  3.5 散热系统性能的对比分析  45-46
  3.6 实验误差分析  46-48
第四章 LED芯片热电制冷散热系统数值模拟研究  48-63
  4.1 数学模型的建立及边界条件的确定  48-50
    4.1.1 基本假设  48-49
    4.1.2 数学模型的建立  49-50
    4.1.3 边界条件的确定  50
  4.2 基于ANSYS的数值模拟过程  50-55
    4.2.1 物理模型的建立  50-52
    4.2.2 网格的划分  52-54
    4.2.3 施加荷载及求解  54-55
  4.3 计算结果及分析  55-63
    4.3.1 计算结果的验证  55-57
    4.3.2 LED芯片表面温度随TEC工作电流的变化  57-60
    4.3.3 LED芯片表面温度随LED芯片功率的变化  60
    4.3.4 典型TEC性能参数随TEC电流的变化  60-62
    4.3.5 TEC性能参数随LED芯片功率的变化  62-63
第五章 LED热电制冷散热系统的经济性分析  63-66
  5.1 LED的光效与节能  63
  5.2 经济性能分析方法及研究模型的建立  63-64
  5.3 分析结果及结论  64-66
    5.3.1 分析结果  64-65
    5.3.2 结论  65-66
结论与展望  66-68
参考文献  68-74
攻读学位期间发表的论文及专利  74-76
致谢  76

LED散热过程的数值模拟及性能优化研究

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