功率型发光二极管散热器结构优化设计

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 LED 概述
• 1.1.1 LED 光源简介
• 1.1.2 LED 照明发展瓶颈
• 1.1.3 功率型 LED 热设计
• 1.2 LED 封装级热设计研究进展
• 1.2.1 芯片热性能研究
• 1.2.2 粘结材料及涂层材料研究
• 1.2.3 LED 封装技术研究
• 1.2.4 不同因素对 LED 性能的影响
• 1.3 LED 系统级热设计研究进展
• 1.3.1 被动式散热技术
• 1.3.2 主动式散热技术
• 1.4 本文研究意义及内容
• 第二章 LED的CPSEFR散热性能实验研究
• 2.1 热量传递理论基础
• 2.1.1 热量传递基本方式
• 2.1.2 能量平衡控制方程
• 2.1.3 数据分析方法
• 2.2 LED 的CPSEFR 设计
• 2.2.1 LED 的CPSEFR 概述
• 2.2.2 设计功率型 LED 新型结构散热器
• 2.3 CPSEFR 制作及LED 装配
• 2.4 CPSEFR 性能实验
• 2.4.1 实验装置及仪器
• 2.4.2 试验系统
• 2.4.3 实验步骤
• 2.5 实验数据分析
• 2.5.1 LED 芯片温度均一性分析
• 2.5.2 LED 模块的不同部件的温度分析
• 2.5.3 CPSEFR 热阻分析
• 2.6 小结
• 第三章 CPSEFR数值模拟研究
• 3.1 Fluent 软件简介
• 3.2 数值控制方程
• 3.3 流动模型
• 3.3.1 求解模型的建立
• 3.3.2 定义物质属性
• 3.4 CPSEFR 模型的建立
• 3.4.1 物理模型的建立
• 3.4.2 数学模型的建立
• 3.5 网格划分及边界条件设置
• 3.5.1 网格划分
• 3.5.2 边界条件设置
• 3.6 数值模拟结果分析
• 3.6.1 散热器流场及温度分布
• 3.6.2 散热性能随功率的变化
• 3.7 实验结果与数值模拟对比
• 3.8 小结
• 第四章 结构参数对CPSEFR散热性能的影响
• 4.1 肋片间距对散热性能的影响
• 4.1.1 温度随肋片间距变化特性
• 4.1.2 传热系数随肋片间距变化特性
• 4.2 肋片数对散热性能的影响
• 4.2.1 温度随肋片数变化特性
• 4.2.2 对流传热系数随肋片数变化特性
• 4.3 其他参数对散热性能的影响
• 4.3.1 温度随其他参数变化特性
• 4.3.2 对流传热系数随其他参数变化特性
• 4.4 小结
• 第五章 LED整体式重力热管散热器研究
• 5.1 热管传热机理及模型建立
• 5.1.1 热管传热机理
• 5.1.2 相变传热数学模型
• 5.1.3 整体式重力热管模型建立
• 5.2 热管散热器理论分析
• 5.2.1 热管散热器热阻分析
• 5.2.2 传热能力计算
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件