LED散熱器結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化

1、LED散熱器結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化 目錄11.LED背景介紹2.LED傳熱的理論基礎(chǔ)3.LED散熱器的設(shè)計(jì)與模擬4.LED散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)5.結(jié)論與展望vLED介紹v1.1背景介紹 LED(Light Emitting Diode)是一種注入式固態(tài)冷光源。LED為第四代光源具有發(fā)光效率高、使用壽命長以及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),目前己經(jīng)在室內(nèi)照明、道路照明、裝飾等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而,由于LED芯片電光轉(zhuǎn)換效率低,有約80-90%的電輸入功率轉(zhuǎn)換為了熱量,熱量無法散失將導(dǎo)致LED芯片結(jié)點(diǎn)溫度上升,影響使用壽命、導(dǎo)致光衰,因此,目前LED熱問題成為了制約LED照明技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。1.2發(fā)光原理v LED

2、相對(duì)于前三代燈源是冷光源，它的P 區(qū)的空穴和 N 區(qū)的電子都會(huì)向中間交界面移動(dòng)，電子和空穴在 PN 結(jié)附近發(fā)生復(fù)合，多余的能量則會(huì)以光的形式釋放出來，從而發(fā)出光子，它是把電能轉(zhuǎn)化成光能。v1.3LED發(fā)展現(xiàn)狀 目前隨著 LED 技術(shù)的高速發(fā)展，其應(yīng)用出現(xiàn)在多個(gè)領(lǐng)域中，主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括以下的六個(gè)方面： (1)顯示屏：各種交通、廣告和金融顯示屏等 (2)照明：道路照明，景觀照明，美化照明，商業(yè)照明等 (3)交通信號(hào)燈：包括指示燈、信號(hào)燈、標(biāo)識(shí)燈等。 (4)汽車燈：包括汽車內(nèi)部的閱讀燈、指示燈及儀表板和外部的側(cè)燈、頭燈以及尾燈等 (5)背光源：手機(jī)顯示屏、液晶顯示屏等的背光源。 (6)其他應(yīng)用：包

3、括特殊照明，軍事照明和工藝照明等 v1.4LED照明系統(tǒng)的問題 (1)光衰嚴(yán)重 當(dāng)光通量下降到原來的 50%70%的時(shí)候，就會(huì)認(rèn)為燈具的有效壽命已經(jīng)結(jié)束，需要更換新的燈具。 (2)顯色性差 發(fā)光的光譜中只含有藍(lán)色和黃色，這樣就會(huì)使色溫偏高、顯色指數(shù)偏低 (3)發(fā)光效率還不高 市場上量產(chǎn)的大功率白光 LED 都是價(jià)格低廉的產(chǎn)品，其發(fā) 光效率還在 80lm/W 左右徘徊，對(duì)比傳統(tǒng)光源，節(jié)能這一優(yōu)勢還不能很好的表現(xiàn)出來。 (4)散熱器散熱 散熱器的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響散熱器散熱。2.LED傳熱的理論基礎(chǔ)2.1熱傳遞的基本模式 (1)熱傳導(dǎo) (2)熱對(duì)流(3)熱輻射v2.2LED 散熱方式 與其它固態(tài)半

4、導(dǎo)體相比，LED 對(duì)溫度的敏感性更強(qiáng)。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流是 LED燈具散熱的主要方式，而熱輻射則基本可以忽略不計(jì)。通用的散熱方式有：風(fēng)冷、液冷、熱管制冷、半導(dǎo)體制冷等。 風(fēng)冷散熱方式 (1)自然對(duì)流散熱 (2)熱管風(fēng)冷散熱 (3)強(qiáng)制對(duì)流散熱 強(qiáng)制對(duì)流散熱 風(fēng)扇翅片式散熱器 熱管制冷 3D打印的散熱器外殼模型，其內(nèi)部通過兩個(gè)微型的熱管與散熱器的外殼相連接，散熱比較快v2.3散熱器主要成型技術(shù) (1)擠壓成型散熱器 擠壓成型技術(shù)是將鋁原料加熱到一定程度，然后在高壓下讓其進(jìn)入擠型模具，這樣就得到了散熱器初胚，再對(duì)散熱器初胚進(jìn)行裁剪、剖溝等進(jìn)一步的加工處理，最終成型。 (2)壓鑄成型散熱器 壓鑄成型技術(shù)

5、首先也是將鋁原料加熱到一定程度，然后使其進(jìn)入金屬模型，最后利用壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄成型。 (3)插翅結(jié)合技術(shù) 結(jié)合型散熱器用鋁材料制成翅片，同時(shí)制作具有溝槽的基座，然后用導(dǎo)熱膠或者焊錫把它們結(jié)合一起。結(jié)合型散熱器在保證其散熱效果良好的前提下，還可以在同一個(gè)基座上連接不同材料的翅片。3.LED 燈具散熱器的設(shè)計(jì)與模擬 一般步驟： 1.通過solidworks建立LED燈具的模型 2.導(dǎo)入到ANSYS中，設(shè)定LED燈具模型各個(gè)零部件的材料以及它們的導(dǎo)熱系數(shù) 3.對(duì)LED燈具以及接觸部分的熱阻劃分網(wǎng)格 4.對(duì)LED各個(gè)零件設(shè)置它們的傳熱方式，比如熱對(duì)流，熱輻射一些參數(shù) 5.求解它的瞬態(tài)溫度分布云圖以它的內(nèi)

6、部熱生成的溫度分布云圖v實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程 應(yīng)用 ANSYS 軟件進(jìn)行模擬的具體步驟如下所示： (1)進(jìn)入前處理器，選擇單元類型，設(shè)置熱分析單元。 LED 燈具的三維模型 (2) 建立簡易模型，如圖所示。在建立燈具三維模型的過程中，進(jìn)行了簡化處理，去掉了對(duì)模擬結(jié)果不影響或者影響較小的點(diǎn)、線、面，所以本模擬忽略了燈具的燈殼和電源，這樣不僅方便了實(shí)體的建模，而且還提高了軟件運(yùn)行速度。如圖所示為燈具模型的細(xì)節(jié)示意圖，1 為 LED 芯片，2 為高導(dǎo)熱銀膠，3 為銅熱沉，4 為導(dǎo)熱膠，5 為鋁基板，6 為導(dǎo)熱膠，7 為鋁合金散熱器。 (3)定義模型中各部分材料的性能參數(shù)。ANSYS 軟件的瞬態(tài)熱分析需要定義

7、材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容這三個(gè)參數(shù) 各種材料的性能參數(shù)v (4)網(wǎng)格的劃分。由于模型較為復(fù)雜，采用自由網(wǎng)格的劃分方法來劃分網(wǎng)格，把 LED 芯片，高導(dǎo)熱銀膠，銅熱沉，導(dǎo)熱膠 A 這四部分的單元邊長定為0.001m，網(wǎng)格的劃分如圖(a)所示；把基板，導(dǎo)熱膠 B，散熱器這三部分的單元邊長定為 0.01m，網(wǎng)格的劃分如圖 (b)所示。 (5)進(jìn)入求解過程。采用瞬態(tài)熱分析法進(jìn)行模擬。 首先，把 10 設(shè)定為初始的時(shí)間步長，打開自動(dòng)時(shí)間開關(guān)， 自動(dòng)地調(diào)節(jié)時(shí)間步長。 芯片的生熱載荷通過計(jì)算得到 定義模型中各個(gè)部分的初始溫度為室溫 25 接著，在燈具的散熱器與空氣接觸的那部分面上施加對(duì)流載荷，對(duì)流載荷為

8、面載荷，定義空氣的對(duì)流系數(shù)為h=5W/(m2K) 最后，進(jìn)行求解計(jì)算。設(shè)定求解的時(shí)間為 7200s，即模擬燈具在運(yùn)行 2 小時(shí)之后的溫度場分布39m/105 . 8WQv (6)進(jìn)入后處理過程，得到溫度場分布云圖，如圖所示LED 燈具運(yùn)行 2 小時(shí)后的溫度模擬云圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 由上圖中可以觀察出，LED 燈具在運(yùn)行 2 個(gè)小時(shí)之后，整個(gè)燈具的最高溫度為 52.149，即可認(rèn)為其是芯片的結(jié)溫，而整個(gè)燈具的最低溫度為 40.704，即可認(rèn)為其是散熱器的溫度。 4.LED 燈具散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 首先散熱器本身材料的性能對(duì)散熱效果有著決定性的影響，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、輻射率等，這些因素在散熱器材料選定

9、時(shí)就是固定不變的，所以不予以考慮； 其次散熱器的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱效果也具有一定的影響，例如翅片長度、翅片厚度、翅片間隙等。 最后使用環(huán)境與安裝方式同樣對(duì)散熱效果有影響，例如環(huán)境溫度、當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、晝夜溫差、安裝方式等4.1影響散熱器散熱效果的因數(shù)4.2優(yōu)化過程 重點(diǎn)分析了散熱器的翅片長度、基部厚度、槽寬度、槽數(shù)、翅片厚度、翅片間隙這六種因素對(duì)散熱器散熱性能的影響。 研究方法是改變其中一個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)不變，得出它們對(duì)散熱器散熱性能的影響趨勢。 然后通過正交試驗(yàn)優(yōu)化得出結(jié)論： 翅片厚度槽寬度翅片間隙槽數(shù)基部厚度v4.3優(yōu)化結(jié)果 1.在對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響散熱器物理性能的情況下，應(yīng)該盡量

10、地減少散熱器的基部厚度，降低成本。 2.在對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量地減小槽寬度，應(yīng)用試驗(yàn)所得的優(yōu)水平，為 1mm。 3.同時(shí)應(yīng)該盡量地增加槽數(shù)，在不影響散熱器物理性能的情況下，可遠(yuǎn)大于試驗(yàn)所得到的優(yōu)水平。 4.由極差分析得到的翅片厚度和翅片間隙的優(yōu)水平都為1mm，但考慮到翅片厚度和翅片間隙越小，散熱器的制作就越困難。綜合實(shí)驗(yàn)分析翅片厚度和翅片間隙都應(yīng)選 2mm為最佳。5.結(jié)論與展望 1.在相同散熱面積的情況下，通過改變散熱器的形狀可以使結(jié)溫降低。 2.提出了一種散熱器優(yōu)化方法。 3.應(yīng)用正交試驗(yàn)法對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)5.1結(jié)論v5.2展望 對(duì)LED智能控制。例如，把單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)

11、、與 LED 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的無線控制。參考文獻(xiàn)v 劉永璽. 大功率白光 LED 的熒光粉涂覆工藝及散熱技術(shù)研究D. 廈門：廈門大學(xué)，2008.v 熊慰. 大功率 LED 路燈散熱分析與設(shè)計(jì)D. 湖北：華中科技大學(xué)，2009.v 毛興武. LED 的發(fā)展和應(yīng)用. 電子元器件應(yīng)用J. 2005，10：77-83.v 韓月. 大功率 LED 燈具散熱器設(shè)計(jì)D. 北京：北京化工大學(xué). 2012.v 馬澤濤. 白光高亮度發(fā)光二極管_HB_LED_封裝研究D. 湖北：華中科技大學(xué)，2005.v Yung S.Liu，Jung-Tsung Hsu，Jim Chi. Shyi-Ming Pan，et al. Progress of Solid State Lighting Technology in TaiwanC，Proc. of SPIE Vol.5187（2004），199-206.v Miller，Paul. Measurements for LED performance and safetyJ. Journal of Light and Visual Environment. 2008.（5）：156-160.v Wenzl F