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功率型LED散热器结构热分析与优化设计

作　者: 姚泽民
导　师: 李静
学　校: 华南理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 功率型LED 热分析数值分析正交设计
分类号: TM923.34
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-28
  1.1 引言  13-17
    1.1.1 LED发展面临技术问题  14-15
    1.1.2 LED芯片温升的原因  15-16
    1.1.3 结温对LED芯片性能影响  16-17
  1.2 LED散热研究进展  17-21
    1.2.1 LED散热热阻分析  18
    1.2.2 LED芯片量子效率的研究  18-19
    1.2.3 LED散热材料研究  19-21
  1.3 LED二次散热系统研究进展  21-27
    1.3.1 自然对流冷却技术  21-22
    1.3.2 强迫风冷  22
    1.3.3 液冷技术  22-23
    1.3.4 半导体热电制冷技术  23-24
    1.3.5 热管技术  24-27
  1.4 本文研究内容  27-28
第二章室内照明LED散热理论设计  28-39
  2.1 热设计基本理论  28-31
  2.2 LED热设计基本要求  31
  2.3 功率型LED散热器设计  31-38
    2.3.1 冷却方法的选择  31-32
    2.3.2 自然对流冷却基本理论  32
    2.3.3 LED散热器结构  32-34
    2.3.4 散热器换热能力理论计算  34-35
    2.3.5 翅片散热器传热效率  35-37
    2.3.6 敞热器换热及热阻理论计算  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章 LED室内照明散热器性能测试  39-52
  3.1 LED散热器加工  39-40
  3.2 散热器性能测试  40-44
    3.2.1 设备及仪器简介  40-41
    3.2.2 建立试验测试系统  41
    3.2.3 试验系统测温分布  41-42
    3.2.4 J型热点偶校正  42-43
    3.2.5 试验测试步骤  43-44
  3.3 试验数据分析  44-46
    3.3.1 LED芯片及散热器顶部温度分析  44-45
    3.3.2 LED翅片温度分析  45-46
  3.4 散热涂料对散热器性能分析  46-50
    3.4.1 应用散热涂料LED芯片及散热器监测点温度分析  46-48
    3.4.2 应用散热涂料在不同功率下芯片及散热器监测点温度分析  48-49
    3.4.3 应用散热涂料在不同功率下散热模组热阻分析  49-50
  3.5 本章小结  50-52
第四章室内照明散热器数值模拟  52-79
  4.1 计算流体力学基本理论  52-55
    4.1.1 流体的控制方程  52-55
  4.2 数值模拟计算分析  55-59
    4.2.1 建立物理模型  55
    4.2.2 模型导入与修复  55-56
    4.2.3 计算区域数学模型  56-57
    4.2.4 计算区域网格划分  57-58
    4.2.5 边界条件及求解设置  58-59
  4.3 数值模拟结果分析  59-67
    4.3.1 LED芯片温度  59-60
    4.3.2 散热器模组温度分析  60
    4.3.3 散热器内部流速分布  60-64
    4.3.4 实验数据与模拟数据对比分析  64
    4.3.5 散热器监测点温度随功率变化  64-65
    4.3.6 散热表面换热系数随功率变化  65-66
    4.3.7 辐射传热量随功率变化  66-67
  4.4 倾斜角度对散热器性能影响  67-69
    4.4.1 倾角对芯片及散热器温度影响  67-68
    4.4.2 倾角对散热器性能影响  68-69
  4.5 环境温度变化对散热性能影响  69-70
    4.5.1 温度变化对芯片及散热器温度影响  69-70
    4.5.2 温度变化对散热器性能影响  70
  4.6 空气流速对散热器性能影响  70-71
    4.6.1 空气流速对芯片及散热器温度影响  70-71
    4.6.2 空气流速对散热器性能影响  71
  4.7 散热器的优化设计  71-77
    4.7.1 正交试验简介  72-73
    4.7.2 确定正交试验指标、因素和水平  73
    4.7.3 选择正交表  73-74
    4.7.4 试验及数据记录  74-75
    4.7.5 正交试验结果分析  75-76
    4.7.6 最优方案数值模拟  76-77
  4.8 本章小结  77-79
第五章大功率路灯数值仿真设计  79-86
  5.1 散热器结构设计  79-80
  5.2 网格划分及边界条件设置  80-81
  5.3 流固耦合传热计算  81-82
    5.3.1 计算区域控制方程  81-82
    5.3.2 求解参数设置  82
  5.4 数值计算结果分析  82-85
    5.4.1 模型温度场分布  82-83
    5.4.2 散热器空气速度场分布  83-84
    5.4.3 散热器翅片开孔边长对芯片温度影响  84
    5.4.4 辐射传热对芯片温度影响  84
    5.4.5 散热器热阻分析  84-85
  5.5 本章小结  85-86
第六章大功率路灯热管散热器仿真设计  86-96
  6.1 热管工作原理  86-87
  6.2 平板型热管散热器  87-88
    6.2.1 平板型热管散热器结构  87
    6.2.2 数值模拟边界及求解设置  87
    6.2.3 数值仿真结果分析  87-88
  6.3 条形热管散热设计  88-89
    6.3.1 条形热管散热结构  88
    6.3.2 数值模拟边界以及求解设置  88-89
    6.3.3 数值模拟结果分析  89
  6.4 热管散热器优化设计  89-94
    6.4.1 确定试验因素、水平以及试验指标  89-90
    6.4.2 选择正交表  90-91
    6.4.3 试验及数据记录  91-92
    6.4.4 试验数据分析  92-93
    6.4.5 最优方案数值模拟  93-94
  6.5 本章小结  94-96
结论与展望  96-98
参考文献  98-104
攻读硕士学位期间取得的研究成果  104-106
致谢  106-107
附件  107

功率型LED散热器结构热分析与优化设计

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