傳熱學(xué)課程設(shè)計

1、安徽建筑大學(xué)課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1、 設(shè)計目的： 提高發(fā)光二極管（LED）燈具的性能，增加它的散熱效果2、 設(shè)計內(nèi)容： 依據(jù)散熱指標，計算了散熱面積，建立了LED鰭片式散熱 模型，最終利用電腦模擬情況對其進行仿真與研究。23、 設(shè)計任務(wù)和要求： 為了提高發(fā)光二極管（LED）燈具的性能，依據(jù)散熱指標，計算了散熱面積，建立了LED鰭片式散熱模型，最終利用軟件編程對其進行了仿真與研究。4、 可選器材： 二極管（LED）燈具，計算機5、 參考資料 【1】盧有祥.LED的發(fā)展和應(yīng)用. 【2】楊廣華、李玉蘭、王彩鳳等基于LED照明燈具散熱片設(shè)計與分析安徽建筑大學(xué)課 程 設(shè) 計 摘要：為了提高發(fā)光二極

2、管（LED）燈具的性能，依據(jù)散熱指標，計算了散熱面積，建立了LED鰭片式散熱模型，最終利用軟件編程對其進行了仿真，研究結(jié)果表明：當鰭片間距與鰭片厚度比為3:2，底座厚度與鰭片厚度為1:1時，散熱效果最好，隨著鰭片數(shù)目和鰭片高度的增加，散熱效果也有所增強。關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；燈具；鰭片式；散熱發(fā)光二極管（LED）照明以其發(fā)光效率高、方向性好、能耗小、壽命長、可靠性好、安全環(huán)保等優(yōu)點，無論在裝飾性照明還是功能性照明領(lǐng)域都得到了廣泛的發(fā)展。雖然理論上LED的發(fā)光效率很高!但由于沒有有效的散熱方式!大部分LED芯片的最終發(fā)光效率只有10%20%,而其余80%90%的電能則轉(zhuǎn)化成了熱。較高的LED運行溫

3、度還將使得LED 的壽命快速下降。如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導(dǎo)致焊錫的熔化，使芯片失效。對于單個LED而言，如果熱量集中在很小的芯片內(nèi)而不能有效散出!則會導(dǎo)致芯片溫度升高，熱應(yīng)力非均勻分布，芯片發(fā)光效率和熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降。當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律上升。LED產(chǎn)生的大量熱量極大地降低了照明效率，高溫還將使LED發(fā)光顏色改變。這些都對高亮度LED的熱管理提出了挑戰(zhàn)!迫切需要良好的散熱措施來解決LED的散熱問題。散熱方式包括被動散熱、風(fēng)冷散熱、熱管散熱等。散熱片的種類也很多，如壓印散熱片、擠型散熱片、鑄造散熱片等。但是，不管形狀如何變化!鰭片式的結(jié)

4、構(gòu)依然是研究的基礎(chǔ)。復(fù)雜形狀的散熱片可以根據(jù)對稱性研究其剖截面，鰭片式結(jié)構(gòu)為研究其他形狀的散熱片提供了參考標準。散熱片的大小和厚度，直接影響了有效散熱面積與散熱的能力。目前!國內(nèi)外很多專家對散熱片都進行了研究，包括研究散熱片的包絡(luò)體積、整體散熱面積等。當?shù)鬃鶎挾纫欢〞r，增加鰭片數(shù)目可以增加散熱面積，但這會減小鰭片間隔，傳熱系數(shù)也會降低，散熱片各個因素是相互制約的，但是目前對LED燈具的散熱片各結(jié)構(gòu)（鰭片高度、厚度、間隔等）之間的制約關(guān)系并沒有詳盡研究。本文針對LED燈具的鰭片式散熱結(jié)構(gòu)，分析了鰭片高度、鰭片厚度、鰭片間隔、底座厚度之間相互制約時的關(guān)系。 1.LED散熱面積估算與模型的建立LED

5、散熱主要包括3個方面芯片結(jié)到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到外部冷卻裝置。如圖1所示。芯片是發(fā)熱主體，首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片以固晶方式傳遞至封裝熱沉上面，然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基印刷電路板（PCB）上，最終鋁基印刷電路板（PCB）與金屬制散熱器結(jié)合，將熱量傳遞至燈具外部，到達空氣環(huán)境中。 對流散熱方程為 Q=hAT （1）式中Q為熱量；h為換熱系數(shù)；A為換熱面積；T為溫升。在室溫（25）時，對于芯片，一般允許的溫升為35。自然對流時的典型值為5W/(·)單顆1W（3.3V，300mA）的LED發(fā)熱率為80%，由式（1）計算可知&需要散熱面積為46。 2

6、. LED鰭片式散熱結(jié)構(gòu) 用軟件編程LED建立鰭片式散熱模型，設(shè)定底座中心溫度為恒定數(shù)值，輸入熱流，可以直觀研究LED散熱情況。2.1鰭片間距與鰭片厚度比例的影響 鰭片形狀固定時，適當?shù)啮捚g距可以保證有效的對流!鰭片過厚，則鰭片數(shù)目減少，表面積減小，會降低表面對流。鰭片過薄鰭片傳熱到頂端能力變?nèi)?，使得散熱片即使體積增加也無法增加效率。因而，鰭片的厚度與鰭片間距存在一個最佳比值。仿真得到散熱片最低溫度隨鰭片間距與厚度的比例變化關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，在鰭片間距與鰭片厚度的比值為1.5時，存在拐點，此時散熱效果較好。 圖2鰭片間距與厚度比例變化時的最低溫度 圖3底座厚度與鰭片厚度比例變化

7、時的最低溫度2.2底座厚度與鰭片厚度比例的影響 要使得散熱片效率增加，散熱片底座厚度也有很大的影響，散熱片底座必須夠厚才能使足夠的熱能順利地傳到所有的鰭片，使得所有鰭片有最好的利用效率。然而太厚的底座除了浪費材料，也會造成熱的累積反而使熱傳能力降低。仿真得到散熱片最低溫度隨底座厚度與鰭片厚度的比例變化關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，底座厚度與鰭片厚度的比值為1時，散熱片效果最好!2.3鰭片數(shù)目的影響 間隔鰭片的壁面會因為表面的溫度變化而產(chǎn)生自然對流，造成壁面的空氣層對流!若表面積較大，則需較多鰭片數(shù)目，但這樣會導(dǎo)致鰭片間隔變窄，自然對流發(fā)生概率降低，散熱效率減小。仿真得到散熱片最低溫度隨鰭片數(shù)

8、目變化關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，隨著鰭片數(shù)目的增加，最低溫度逐漸降低。 圖4鰭片數(shù)目變化時的最低溫度 圖5鰭片高度與厚度比例變化時的最低溫度2.4鰭片高度與鰭片厚度比例的影響當鰭片厚度固定時，鰭片越長，表面積越大，換熱效果越好。同時這也增大了散熱片的體積，使其熱容量增加。但是鰭片過長，會減弱鰭片傳輸熱量到頂部的能力&即散熱效率降低。因此鰭片長度需保持一定才能產(chǎn)生效果。仿真得到最低溫度隨鰭片高度與厚度比例變化關(guān)系如圖5所示!從圖5可以看出，隨著鰭片高度的增加，散熱效果逐漸變好，但是由于到一定程度即可滿足散熱效果，不必要把鰭片做得過長而增加額外的成本和體積。在實際情況中!鰭片還有一定的傾斜角度，一般為3º左右而鰭片表面則也會做一些特殊處理，如涂特殊散熱材料或刻一些花紋以增加鰭片的對流和輻射。3 結(jié)論本文研究了LED燈具鰭片式散熱結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：散熱效果的好壞與鰭片間距、鰭片厚度、鰭片高度、底座厚度有直接的關(guān)系，而各個因素之間都是相互制約的。當鰭片間距與鰭片厚度比為3:2底座厚度與鰭片厚度