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LED照明灯具的ICEPAK热分析

2015/1/8    来源:e-works    作者:周俊杰  王明霞      
关键字:LED  Icepak  热分析  优化  
LED照明灯具由于本身体积小功率大的原因,在工作时释放大量热量,影响其发光效率和使用寿命,散热问题一直是LED照明灯具的一个棘手问题。因此,本文就使用专门的热分析软件Icepak对LED照明灯具的散热问题进行探讨。通过模拟,探讨模型内的温度、速度和压力分布,以及背板的温度和压力云图,并提出有效的改进措施。

1 前言

    自1998年美国Lumileds Lighting公司封装出世界上第一个大功率LED以来,大功率LED以其体积小、效率高、寿命长、节能、环保等特点受到国内外研究者的青睐。随着LED芯片的输入功率不断增大,LED的热量累积越来越多,由于温度升高而产生的热效应逐渐明显,从而影响到LED的使用寿命和可靠性。因此,对大功率LED进行合理的热设计,提高其散热能力成为亟待解决的关键技术之一。

    吴志强在介绍LED光源诸多优点的基础上,阐述了其应用现状与发展前景。田明航等提出了利用热管技术对大功率LED进行散热的构想,设计了LED热管散热器的原理结构,并对其传热机理、传热路线和各传热阶段的热阻进行了定性分析和定量分析。刘一兵等在分析功率LED受热效应影响的基础上,从改进LED结构角度来解决散热问题。指出采用导热性能优良的封装材料是提高散热效率的重要途径,并对密封材料,键合材料,散热基板对散热的影响作了详细的分析。

    由于温度急剧升高,对LED照明灯具的发光效率和寿命产生不可逆转的影响,如温度每升高10℃就会导致光衰5~8%,同时导致使用寿命减半。因此,本文就使用Icepak软件探讨LED照明灯具的散热问题。

2 数学物理模型

2.1问题描述

    LED照明灯具的机柜包含34个LED热源(密封在1个腔体内),1块背板,34个翅片,3个风扇,和1个自由开孔。翅片和背板用铝挤压型材,每个风扇质量流量为0.05kg/s,每个热源功率为10W,腔体的传热系数为15W/(m2 K)。根据设计目标,当环境温度为20℃时,设备的背板不能超过90℃。完整的LED照明灯具的模型如图1所示。

2.2理论基础

2.2.1控制方程

公式1 质量守恒方程

公式1 质量守恒方程

公式2 动量守恒方程

公式2 动量守恒方程

公式3 能量守恒方程

公式3 能量守恒方程

图1 LED照明灯具模型

图1 LED照明灯具模型

    其中,μ—速度;ρ0—参考条件下的密度(T0);T—温度;p—压力;t—时间;g—重力加速度;βT—体积膨胀系数;f—体积力;Cp—热容;K—导热率;Q—体积热源;0—下标。

2.2.2计算假设

    1)认为空气是不可压缩流体。

    2)空气进口温度设为环境温度。

    3)忽略翅片和背板的接触热阻,认为认为二者接触部分的温度相同。

    4)将热源简化为二维热源,使其紧贴背板,忽略热源与背板之间的接触热阻,认为二者接触部分的温度相同。

2.2.3评价指标

    由于温度升高使元件所受的热应力增大,当热应力超过材料的屈服强度时材料就会失效,致使元件的性能下降。所以本文以系统内最高温度作为评价翅片式散热器可靠性的指标:相同条件下,改变有效参数,系统内最高温度较低的可靠性较高。

责任编辑:吴星星
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