功率型LED散热性能研究

论文摘要

发光二极管(简称LED)具有体积小、质量轻、环保无污染、耗电量少、响应时间短、使用寿命长等特点。与传统光源相比,其突出的性能引来了世界各国各地区地积极研发,被称为照明领域的第三次革命。但是,随着LED功率的不断提高,其散热问题也越来越突出,散热问题制约了LED的进一步发展。本文利用CFD软件Fluent对功率型LED散热性能进行了研究,主要内容有：针对单芯片LED5种不同结构的散热器,根据结温最低及方便加工等原则,选择了肋片与基板成90°夹角垂直式的这种散热器,并对这种散热器进行了优化设计,最后得出一种有效的结构。研究了集成式大功率LED矩形肋片式风冷散热器在空气强制对流条件下的流场及温度场。空气均匀地流入散热器,在肋片摩擦阻力和压差作用下,中间区域速度逐渐减小,芯片正对下方流速减小最快。由于中间区域压力的增大,沿y方向中间压力高于两边出口压力,流体以射流的形式流出散热器,靠近出口区域速度逐渐增大,空气流出散热器后,在周围空气阻力作用下流速逐渐减小。散热器两侧肋片温度基本都维持在302K左右,中间部分在305K左右,两侧温度低于中间温度；轴向上肋片最高温度从303K到305K左右,最低温度维持在300K左右,肋片上部温差大,热量有堆积,芯片正对下方肋片区域温度最高。设计了矩形肋片式、钉柱形肋片式和矩形与钉柱混合式肋片三种风冷散热器。通过对比分析三种散热器的流场和温度场,结果表明钉柱型散热器的流动扰动大,摩擦阻力大,流速最小,芯片结温最高为309K,并且芯片的温度梯度较大,所以其散热效果最差；混合型散热器的流动最好,并且芯片的温度梯度较其他两种散热器更为均匀一些,有利于延长芯片的使用寿命,其散热效果也是最理想的。矩形散热器散热效果居中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 LED发展概况
• 1.1.2 结温对LED的影响
• 1.1.3 LED常用散热方式简介
• 1.2 国内外关于LED的研究现状
• 1.3 热传递原理及功率型LED热模型
• 1.3.1 热传递基本原理
• 1.3.2 功率型LED热模型
• 1.4 本文主要的研究内容
• 第2章 CFD计算流体力学理论基础及数学方程
• 2.1 CFD技术概况
• 2.2 Fluent软件介绍
• 2.2.1 Fluent软件基本情况
• 2.2.2 Fluent计算的一般步骤
• 2.3 Fluent的初始条件和边界条件
• 2.4 Fluent的数值求解方法
• 2.4.1 离散方法
• 2.4.2 求解算法
• 2.5 数学方程
• 2.5.1 质量守恒方程
• 2.5.2 动量守恒方程
• 2.5.3 能量守恒方程
• 2.5.4 湍流方程
• 2.6 本章小结
• 第3章 单芯片功率型LED散热器结构设计
• 3.1 数学模型及数值方法
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.1.3 数值模拟策略
• 3.1.4 不同结构散热器模拟值与理论计算值对比
• 3.2 散热器优化设计
• 3.2.1 散热器基板尺寸的优化
• 3.2.2 肋片高度的优化
• 3.2.3 肋片间距的优化
• 3.2.4 优化结果
• 3.3 本章小结
• 第4章 集成式功率型LED散热器热性能研究
• 4.1 集成式功率型LED简介
• 4.2 散热器流场及温度场数值模拟
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 网格划分
• 4.2.4 模拟策略
• 4.2.5 模拟结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 三种风冷式散热器散热效果对比分析
• 5.1 物理模型
• 5.2 模拟结果比较分析
• 5.2.1 流场的比较分析
• 5.2.2 温度场的比较分析
• 5.3 三种散热器散热效果综述
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 个人简历