生化分析儀溫度控制系統設計

...wd......wd......wd...摘要在生化分析儀中，溫度控制系統的精度直接影響檢測結果的準確度。本文針對小型生化分析儀對溫度控制的要求設計了別離式的固體直熱恒溫系統。該系統設計的難點主要是反響液溫度的均勻性和控制精度。本設計選擇了反響盤與反響杯別離的機械構造，使反響杯在反響槽中旋轉，得到很好的溫度均勻性。同時在單片機中利用PID組合算法進展編程，使反響液溫度控制在37℃，其準確度為±0.3℃，波動范圍±0.1攝氏度，滿足了小型生化分析儀對溫控系統的要求。關鍵詞：小型生化分析儀、溫度控制、鉑電阻測溫電路、自適應PIDABSTRACTInthebiochemicalanalyzer,theprecisionoftemperaturecontrolsystemdirectlyaffectstheaccuracyoftestresults.Accordingtotherequirementsofthetemperaturecontrolsysteminsmallbiochemicalanalyzer,thisdissertationdesignsaseparatethermostatsystemwithsoliddirectlyheating.Themaindifficultiesofthissystemaretheaccuracyanduniformityofthereactiveliquidtemperature.Inordertoobtainhighleveluniformity,themechanicalstructureseparatestheplatesandcupsandthecupscircleonthegrooveoftheplates.AtthesametimethemicrocontrollerisprogrammedusingPIDcombinationalgorithm.Thetemperatureofreactivesolutionwas37℃andtheaccuracyis±0.3℃withfluctuationrangeof±0.1degreesCelsius.Thisdesignmeetstherequirementsoftemperaturecontrolsysteminsmallbiochemicalanalyzer.Keywords:Biochemicalanalyzer，Temperaturecontrol，PlatinumResistanceTemperatureSensor,AdaptivePID.目錄第1章引言11.1課題背景11.2生化分析儀主要溫控方式11.3溫度傳感器種類及工作方式31.4國內外研究現狀41.5課題研究內容5第2章鉑電阻溫度傳感器62.1非線性校正62.1.1產生非線性的原因62.1.2惠斯特橋式電路72.2溫度檢測電路阻值選擇82.2.1橋式電路阻值選擇82.2.2AD623運放設計92.2.3誤差分析112.3三線式鉑電阻用法122.4溫度傳感遇到的問題14第3章單片機控制163.1模數轉換163.1.116位模數轉換163.1.2模數轉換原理163.1.3建設模數轉換方程173.2數模轉換173.2.1溫度控制算法173.2.2利用計數器產生PWM波18第4章加熱系統的驅動和控制204.1驅動芯片的選擇204.2加熱的控制204.2.1預熱控制204.2.2功率控制224.3系統設計需要注意的問題234.3.1反響液溫度控制的滯后性和波動性234.3.2環(huán)境溫度對穩(wěn)定溫度的影響244.3.3溫度控制電路板的優(yōu)化設計25第5章PID控制算法275.1PID控制原理275.1.1模擬PID控制275.1.2數字PID控制275.2新型PID控制285.2.1自適應PID控制285.2.2智能控制285.3自整定PID控制315.3.1Ziegler-Nichols設定方法315.3.2臨界靈敏度法365.4溫度控制PID405.4.1測試中參數的選定405.4.2環(huán)境溫度影響下的修正42第6章完畢語456.1總結456.2展望45參考文獻46致謝48外文資料原文49外文資料譯文53第1章引言1.1課題背景臨床化學實驗操作步驟中的吸樣、吸試劑、混合、去干擾物、保溫、檢測、結果計算和報告的儀器操作被稱之為臨床化學的自動化分析，其儀器稱為自動生化分析儀[1]。自動生化分析儀集光學、精細機械、電子、電子計算機等技術為一體，屬高技術含量的儀器設備，特別是高檔大型全自動生化分析儀配套技術，包括機器人技術、集束光導纖維傳播技術、條碼技術、傳感技術、數碼技術及遙控技術等，使儀器在高速運轉中多項任務、多個過程同時協調進展，每小時產生數百乃至數千的數據[2]。目前，自動生化分析儀主要分為三種：連續(xù)流動式自動生化分析儀〔continuousflowautoanalyzer〕、分立式自動生化分析儀〔discreteautoanalyzer〕、離心式自動生化分析儀〔centrifugalautoanalyzer〕[3]。其中，第一類儀器由于不能抑制穿插感染〔carryover〕以及故障率高、操作繁瑣等原因在80年代初已被淘汰。本文中設計的溫度控制系統可以應用在后兩種生化分析儀中。生化分析過程要求在恒溫條件下進展，樣本和試劑發(fā)生生化反響，酶的活性直接影響反響結果，而酶的活性與溫度直接相關。根據輔酶Q10理論：溫度每增加10℃，化學反響速度增加一倍。也就是說，溫度波動0.1℃，測度結果變異1%。因此，高精度的溫度控制系統是保證生化分析結果準確性和重復性的關鍵技術之一，它是生化分析儀的重要組成局部[4]1.2生化分析儀主要溫控方式目前生化分析儀中主要使用的溫度控制方式有以下幾種：空氣浴，水浴，恒溫液浴，固體干式浴，帕爾貼效應片等[5]?？諝庠±脽峥諝鈱Ψ错懕械囊后w進展加熱，通過維持絕緣容器內空氣溫度的穩(wěn)定來實現反響杯內液體溫度的穩(wěn)定。水浴與空氣浴相似，采用水對反響杯中的液體進展加熱，通過維持水溫的穩(wěn)定來實現反響杯中液體的穩(wěn)定。恒溫液浴采用一種特殊的恒溫液體，該液體為熱容量高、蓄熱能力強、無腐蝕的液體。比色杯和恒溫液不直接接觸，它們之間存在一定的空氣隙。固體干式浴采用銅或者鋁等導熱性能良好的金屬對石英反響杯中的液體進展直接加熱[6]?？諝庠∨c水浴如圖1-1所示，恒溫液浴和固體干式浴如圖1-2。圖1-1空氣浴與水浴示意圖、圖1-2恒溫液浴和固體干式浴示意圖帕爾貼效應片是一種目前被廣泛應用的溫控方式。這種溫控方式利用帕爾貼效應，利用P-N熱電偶，利用帕爾貼效應片的熱端和冷端，既可以加熱，也可以制冷。調整電偶的工作電壓，可使帕爾貼效應片〔熱電制冷器〕在不同的熱端溫度下保持冷端溫度恒定[7]。圖1-3給出了熱電制冷器的溫度控制原理框圖。圖1-3熱電制冷器溫度控制原理框圖對于生化分析儀來講，由于儀器本身功能較多，因此不希望在溫控系統中參加過多的外加設備，因此水浴和空氣浴不適用于本設計。同時，帕爾貼效應片一次只能控制一個樣品，無法滿足分析儀同時分析多個樣品的的需要。因此，本設計采用固體浴。1.3溫度傳感器種類及工作方式要實現對溫度的控制，首先要實現對被控環(huán)境的溫度檢測，這就需要溫度傳感器的設計。溫度傳感器按工作原理分可分為熱電偶、電阻溫度傳感器、輻射溫度計、光纖溫度傳感器、石英溫度傳感器等。熱電偶將兩種材料不同的導體串聯成閉合回路，當兩個結點之間存在溫度差時，就會在回路中產生電流。熱電偶的這種效應叫做塞貝克效應。熱電偶作為溫度傳感器，其優(yōu)點有構造簡單、體積小、熱容量小以及溫度響應快等。電阻溫度傳感器利用純金屬、合金和半導體材料的電阻值隨溫度變化的物理特性來測量溫度。由于這個特性，使得電阻溫度傳感器可以根據具體的測量范圍，改變其起始電阻值。當利用貴金屬制作敏感元件時，它的性能更加穩(wěn)定，測量的精度也會進一步提高。輻射溫度計是利用斯蒂芬·玻爾茲曼全輻射定理而研制出的溫度計。該定理告訴我們，物體的溫度越高，輻射功率就越大。因此，測量出物體所發(fā)射出來的輻射功率，就可以計算出它的溫度。輻射溫度計的特點是非接觸測溫，同時，它具有反響速度快、靈敏度高、測溫范圍廣等優(yōu)點。光纖溫度傳感器既可以利用被測物體外表輻射能隨溫度變化測溫，也可以利用光在光導纖維內傳輸的相位隨溫度變化測溫。由于其主要利用光的傳輸工作，所以它是一種電氣無源系統，同時具有幾何形狀可隨意改變、抗電磁干擾以及耐水耐腐蝕等其他傳感器無法具備的優(yōu)點。石英溫度傳感器利用石英諧振器的頻率溫度特性進展測溫，不僅具有分辨率高、性能穩(wěn)定和線性度好等特點，而且適用于數字化處理和遠距離測量。為了盡量減少成本，由于生化分析儀本身不需要進展遠程控制，因此光纖性、輻射性以及石英性均不適宜本設計。同時，熱電偶涉及到冷端溫度補償，增加了系統設計的復雜性，因此選擇電阻溫度傳感器作為使用對象，同時選用穩(wěn)定性互換性良好同時精度高的鉑電阻作為測溫元件。1.4國內外研究現狀世界上第一臺生化自動分析儀是由美國泰克尼康公司在1957年設計生產的，是一臺單通道、連續(xù)流動式自動分析儀。此后日本、美國等國家又相繼研發(fā)生產了多個系列的生化分析儀，如今相應的技術已經相當完善。其中比較具有代表性的是美國BECKMAN公司的CX9全自動生化分析儀和日本日立的7600全自動生化分析儀。CX9的檢測速度可達每小時900屢次，最多可以同時測量33項，它的最大特征是直接連接樣品分選的輸送系統，便于對應軟件的全自動化處理。日立的7600全自動生化分析儀也是一套大型實驗室自動化系統，它是一種采用了先進的控制技術和模塊化構造開發(fā)的大型組合式分析儀，具有高度的靈活性和擴展性，用戶可以根據需要配置各種功能局部。整個工作過程由中央計算機執(zhí)行多線程控制，同時通過定時器設定無人狀態(tài)一體化程序，在程序運行的同時也能智能檢查各模塊，對異常模塊進展維護，真正實現了實驗室全程自動化[8]。如圖1-4所示為美國BeckmanCX9型全自動生化分析儀，如圖1-5所示為日立7600型全自動生化分析儀。圖1-4美國BeckmanCX9型全自動生化分析儀圖1-5日立7600全自動生化分析儀目前國內自研生產的生化分析儀以半自動型為主。國內全自動生化分析儀的開展緩慢的原因主要是因為它涉及光、機、電、算、液路、溫控、生化分析等多方面的綜合技術，系統控制復雜、控制時序要求嚴格、運行可靠性和精度要求高等。隨著國內醫(yī)院要求診斷指標的增多，測試工作量不斷增大，對全自動生化分析儀的要求日益增大，因此其研制和開發(fā)將有著重大的經濟效益和社會效益[9]。1.5課題研究內容本文主要研究適用于生化分析儀的溫度控制系統，包括以下幾個局部：1、溫度檢測電路的設計；2、溫度控制電路的設計；3、溫度控制算法的編程；4、環(huán)境溫度補償的設計。整個溫度控制系統由兩路具有非線性校正的鉑電阻測溫電路、PWM控制的功率驅動電路、帶溫度補償的自適應PID數字控制電路等組成。如圖1-6所示：圖1-6溫度控制系統原理圖溫度控制系統的目標是要使反響液溫度恒定在37℃。從圖1可以看出,反響液溫度是間接控制的。第2章鉑電阻溫度傳感器2.1非線性校正本設計中溫度的檢測通過電阻溫度傳感器實現。當采用型號為PT1000、RTD型為DIN的鉑電阻，即在0℃時阻值為1000Ω，之后溫度每上升一攝氏度阻值上升3.851Ω這就要求最終的模擬電壓值與溫度之間形成嚴格的線性關系，我們已經知道鉑電阻的阻值與溫度之間近似是一種線性關系，同時在模擬電路中，由于電路原理和元件規(guī)格的限制，也會破壞這種線性關系。因此，需要設計專門的模擬電路，來校正這種非線性關系。2.1.1產生非線性的原因鉑電阻的電阻值與溫度的關系，可用下式描述：式中：和分別為θ和0℃時鉑電阻阻值；a、b為常數。顯然式中與θ之間的關系是非線性的[10]。此外，將變化的阻值，轉化為變化的電壓，模擬電路的設計也會影響結果的線性性。同時，由于模擬電路的輸出電壓將輸入到單片機的模數轉換輸入引腳，該引腳具有固定的輸入范圍。本設計選用的單片機要求輸入電壓在0V到參考電壓之間，否那么將使單片機引腳工作在極限條件下。同樣的，這種對輸出電壓的限制也增加了校正結果線性性的難度。2.1.2惠斯特橋式電路使用恒流供電的惠斯特橋式電路可以校正溫度測量電路的非線性。首先使用MAX6235芯片為惠斯特橋式電路提供2.5V的電壓輸入。將此供電電壓輸入到OP07芯片的正向輸入端，OP07芯片相當于一個集成運算放大器，在這里用作跟隨器來穩(wěn)定橋式電路的輸入電壓。然后，將橋式電路兩端的輸出電壓，分別通過輸入電阻輸入給AD623芯片，AD623是一個放大倍數可調的儀表放大器，可以將橋式電路產生的差值放大。最后再通過作為跟隨器的OP07芯片，將最終的輸出電壓輸入到單片機的模數轉換輸入引腳。橋式電路的基本構造，如圖2-1所示。圖2-1橋式電路如果用U表示電壓VCC的大小，U1表示電阻R3上端的電壓，那么：〔2-1〕用U2表示電阻R4上端的電壓，那么：〔2-2〕用代表電壓Vout的大小，那么有：〔2-3〕在橋式電路中，，因此將式〔2-1〕〔2-2〕代入〔2-3〕，可以得到：〔2-4〕橋式電路中的值要遠遠大于，同時設，得：〔2-5〕由此建設了鉑電阻阻值和輸出電壓的線性關系，如果選擇的阻值等于鉑電阻在零攝氏度時的阻值，那么測溫電路就相當與從零攝氏度開場測量溫度。在整個測溫電路中，橋式電路的三塊電阻和用于AD623編程的電阻作用重大，必須采用精度很高的精細電阻，才能滿足本電路的精度要求。同時，通過對這四塊電阻阻值的選擇，可以使輸出的電壓值范圍盡可能地覆蓋單片機輸入電壓的范圍，這樣在模數轉換過程中，可以獲得最大的精度。2.2溫度檢測電路阻值選擇由之前的分析我們知道，溫度檢測電路所使用的電阻的阻值直接決定了該模擬電路輸出的模擬電壓的大小。由于單片機對輸入電壓的要求，不僅需要嚴格限制該電路的輸出電壓的最小值和最大值，還需要將其電壓變化范圍盡可能地和單片機允許的輸入電壓范圍重合，增大精度。無論是對于橋式電路，還是AD623放大局部，為了實現模擬電路的準確計算，必須全部使用阻值相對準確的精細電阻。如果使用普通電阻，不僅使運算結果出現與理論計算值極大的偏差，也會由于普通電阻同一批次產品中阻值不同，導致在投入生產之后需要針對每臺機器校準，這明顯是非常不現實的。本設計選用SiliconLab公司的C8051F060作為單片機，為了提高模數轉換的精度，也為了方便之后算法的升級，使用了該芯片中16位的模數轉換功能。該芯片實現該功能主要依靠最高可達1Msps、16位分辨率的逐次逼近存放器型ADC。這就對模擬輸入端的電壓值提出了要求，此電壓值不能高過單片機此轉換模塊的參考電壓值，同時也不得低于整塊電路板上的零電壓，否那么將使單片機工作于極限條件之外，造成單片機模數轉換模塊燒毀，甚至可能導致整個單片機芯片燒毀，在實際應用中，如果出現此情況，將使反響盤中的加熱片持續(xù)以全功率加熱，在生化分析中，無疑會破壞反響液的化學性質，甚至造成事故。因此，對模擬電路的輸出電壓的控制，至關重要，而模擬電路中精細電阻的設計，更是重中之重。由于單片機中是逐次逼近存放器型ADC，這就使得模擬電壓輸出范圍要盡可能地大。因為這樣轉換的結果是一個模擬電壓值對應一個16位二進制數，當電壓可變范圍擴大時，數字電路可以分辨的溫度值的精度也就越大，這也對電路阻值的選定提出了要求2.2.1橋式電路阻值選擇在橋式電路中，由式〔2-5〕可知，假設想使溫度在零度時輸出0V的模擬電壓，那么的阻值應等于鉑電阻在零攝氏度時的阻值。本設計選用的鉑電阻在零攝氏度時阻值為1kΩ，所以的阻值也應為1kΩ。本設計主要應用在室內環(huán)境中，由于室內溫度一般都高于零度，因此模擬電壓的輸出能夠保證是正電壓，不會由于輸出負電壓而對單片機造成損壞。由上面的推導可知，橋式電路中下方的兩塊電阻要求阻值完全相等，同時，為了把輸入橋式電路使用的OP07運放芯片作為跟隨器，引入輸出電壓的反響，我們希望這兩塊電阻的阻值，盡可能地大，如圖2-2所示為電路原理圖電橋局部：圖2-2電橋局部電路原理圖圖中，U1和U2單元分別是6325芯片和OP07芯片，PT1和PT2是兩路鉑電阻，分別檢測反響盤溫度和環(huán)境溫度，圖中右側的橋式電路是用于計算PT1阻值的電路。由于精細電阻JMR2的阻值很大，將使PT1鉑電阻負載的壓降非常小，如果將鉑電阻下端的電壓反響到OP07的反相輸入端，其輸入電壓近似等于輸出電壓，形成跟隨器，使輸出電壓穩(wěn)定。在這里，橋式電路下方的兩塊電阻我們都選用常見的51kΩ的精細電阻。2.2.2AD623的運放設計AD623是一個低功耗的儀表放大器，其引腳說明如圖2-3所示：圖2-3AD623引腳說明從圖中可以看出，AD623是將一個差分信號進展放大，通過使用者在1腳和8腳之間連接的電阻，調整電壓增益的大小，其公式為：〔2-6〕其中表示編程電阻的阻值，代表差分輸入電壓。通過式〔2-5〕和式〔2-6〕的計算，可以選擇360Ω的精細電阻，該阻值的精細電阻同樣非常常見。至此，整個一路的溫度檢測電路中精細電阻的阻值就已經選定，理論計算證實，當溫度從零度變化到40℃2.2.3誤差分析盡量在之前的電路計算中，可以得到溫度和輸出電壓之間的關系，然而在實際使用中，由于精細電阻本身還是存在誤差，再加上在電路的分析中使用了近似的算法，必須結合具體的電路，實際測量輸出的電壓。測量時使用的電路板如圖2-4所示：圖2-4溫控用測試電路板圖中電路板左側的紅色電阻為之前選定的精細電阻，四接口的插座用來連接鉑電阻，可以將鉑電阻置入溫度可控的液體中，同時用萬用表直接測量輸出的電壓值。如此測量獲得的溫度-電壓關系如表2-1所示：溫度/℃18.726.029.934.938.5電壓/V1.0261.4041.5951.8211.995表2-1非同步測溫度-電壓關系從表2-1可知，電壓隨溫度的變化關系基本是線性關系，但是在反復實驗中，發(fā)現測定結果總是發(fā)生波動。分析誤差產生原因，硬件的物理性質和電氣性質是固定的，使用的穩(wěn)壓電源供電也是穩(wěn)定的，那么就不應該是由于實驗用具的重復性差導致的誤差問題。因此，誤差原因應該是由于記錄溫度和電壓值的同時性的問題上。由于是人工觀察記錄，所以只能是先觀察溫度值并記錄，之后再拿起萬用表進展測量，在記錄電壓之前的這段時間里，可能溫度受到環(huán)境的擾動，已經發(fā)生了變化，由此產生了誤差。為了解決這一問題，我們使用了安捷倫34970A多路采集器，可以利用計算機同時采樣多路數據，解決了測量同步性的問題，如圖2-5為安捷倫34970A多路采集器：圖2-5安捷倫34970A多路采集器利用該儀器測量得到的溫度-電壓關系如表2-2所示：溫度/℃30.54432.33534.44536.21636.360電壓/V1.5921.6721.7801.8471.867之前的實驗檢測的溫度都是反響盤的溫度，然而控制溫度的最終目標是控制反響液的溫度，由于加熱片加熱的是反響盤，因此反響盤的溫度高于反響液。在實際測量中發(fā)現，反響盤與反響液之間的溫度差隨環(huán)境溫度變化而變化。當將反響液放入恒溫箱中，在相對封閉的環(huán)境中進展測試，同時測量的目標是反響液的溫度，實驗裝置如圖2-6：圖2-6反響裝置放在恒溫箱中使用多路采集器測得反響液溫度和電壓的關系如表2-3所示：溫度/℃26.61928.43430.30132.65434.519電壓/V1.6081.7401.8612.0072.073采集到數據點之后可以利用matlab進展線性回歸，得到近似的直線關系。由于在實際使用中，傳感器檢測的溫度基本在20到40攝氏度之間，所以之前線性回歸的近似計算中產生的誤差可以承受。2.3三線制鉑電阻用法如果在鉑電阻的兩端各連接一條導線，之后接入到橋式電路中，那么兩條導線的電阻就會增加測量的鉑電阻的阻值。更嚴重的是，導線中電阻隨溫度的變化關系未知，當測量溫度改變時，將會增加無法估計的誤差。為了解決這個問題，實際應用中主要使用三線制鉑電阻，其接法如圖2-7所示。從圖中可知，鉑電阻引出的三根導線，一根的電阻作為輸入電阻，另外兩根分別接入到了電橋的兩臂，使得兩臂導線電阻的阻值相等，這樣就消除了導線電阻造成的誤差。圖2-7鉑電阻的三線制接法2.4溫度傳感遇到的問題〔1〕要控制反響液的溫度，最好的方法當然是直接測量反響液的溫度，但由于反響杯中的液體要經常更換，所以不可能將鉑電阻置于反響液中，這樣不僅會污損鉑電阻，更有可能污損反響液。所以使用鉑電阻取檢測反響盤的溫度是一個較好的方法，在實際控制中將反響盤控制在高于目標溫度的某一個值，就可以間接地控制反響液的溫度?！?〕鉑電阻要想準確地檢測反響盤的溫度，就應該充分與反響盤接觸，但是固體與固體很難充分接觸，鉑電阻的某一局部總是有可能與空氣接觸，因此提出在反響盤的底部開槽，將鉑電阻放在槽中，上方放置反響杯，這樣就使鉑電阻的溫度盡可能地和反響盤相等。機械構造示意圖如圖2-8所示，實際構造圖如圖2-9所示：(1)存儲環(huán)境：通常情況下，LED的儲存環(huán)境溫度應在-40℃~+100℃。所以在封裝LED時，有時為了使封裝膠快干或熒光粉快干，在溫度(2)工作溫度一般情況下，LED的工作溫度是-30℃~+80℃，但工作溫度與熱阻有關系。總而言之，LED在工作時，最好將它的PN結溫度保持在(3)失效率：失效率λ是指一批LED器件在點亮后多長時間、有多少個出現“死燈〞現象。這是衡量這批LED器件質量的關鍵指標。假設工作10小時內無“死燈〞現象出現，說明失效率較好，即失效率為0。(4)壽命：LED器件在正常工作條件下，半光衰時間越長，說明LED的壽命越長。按理論計算可達10萬小時以上。但目前由于材料、制造技術等方面原因，市場上的LED器件壽命只能到達2~3萬小時。隨著技術的不斷進步，LED器件的壽命會越來越長。但是如何快速測定半光衰時間，還有待于制造出通用的儀器進展測定。(5)防靜電：要做好的LED器件要注意防靜電。無論是在運輸狀態(tài)，還是在裝配過程中，都可能出現靜電帶來的損壞，要特別注意防靜電。一般LED做好后，雙極開路防靜電指標應在500V之內。(6)封裝構造：LED是靠環(huán)氧樹脂等膠封裝起來的。由于時間和化學作用，會使封裝膠的透光性變差。有時會使膠體變黃變濁，影響透光；有的會使膠?；扑椤＿@些都會使LED器件的性能發(fā)生變化，因此達不到原來的技術指標，從而影響其出光效率和使用壽命。第3章散熱原理3.1熱的傳導方式熱的傳導方式主要包括傳導、對流、輻射三種。3.1.1傳導〔Conduction〕傳導[23]，指的是分子之間的動能交換，即能量較低的粒子通過碰撞來交換能量的方式，是目前散熱的主要方式。單獨的一片散熱片時不能實現熱能的傳導的，傳導是散熱片散熱的最主要的途徑。熱傳導的基本公式是：(3-1)其中，Q：熱量，及熱傳導產生或傳導的熱量；K：材料的熱傳導系數；Ac：熱傳導過程中物的橫截面積；ΔT：物體傳導始末的溫度差；L：傳導過程中物體的傳導距離。從熱傳導公式我們可以發(fā)現熱量傳遞的大小同熱傳導系數、傳熱截面積成正比，同熱傳輸距離成反比。熱傳導系數越高，傳遞面積越大，傳輸距離越短，熱傳導的能量就越高，越容易帶走熱量。3.1.2對流〔Convection〕對流是氣體或液體中較熱局部和較冷局部通過循環(huán)將來交換熱量，即熱源被氣體或者液體包圍，熱能透過周邊分子的移動來實現。當一塊熱金屬板與冷液體(或者氣體)接觸時，靠近熱金屬板的流體模由于流體的熱傳導而溫度上升，流體膜溫度上升造成體積膨脹，以至于發(fā)生冷熱流體混合。對流分為強制對流(ForcedConvection)和自然對流(NaturalConvection)。如果引起熱對流的原動力假設為密度差(溫度差引起)，那么此種熱對流成為自然對流。如果引起熱對流的原動力是外力因素，如風扇等，那么這種熱對流成為強制對流。熱對流的基本公式是：(3-2)其中，Q代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量；h是熱對流系數；A代表熱對流的有效接觸面積；ΔT代表固體外表與區(qū)域流體之間的溫度差。根據熱對流公式可以發(fā)現熱量傳遞的數量通熱對流系數、有效接觸面積和溫度差成正比。熱對流系數越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，帶走的熱量也越多。3.1.3輻射〔Radiation〕輻射，是指熱能從熱源以電磁形式(或光子)直接發(fā)射出去。輻射的傳熱效能取決于熱源的材料及外表的顏色。熱輻射的基本公式是：(3-3)其中，Q：熱輻射交換的能量；σ：物體的外表的熱輻射系數，一般取5.7×10-8(W/m2K4)；A：物體的外表積；(Ta-Tb)：外表a到b之間的溫差。根據熱輻射公式，我們可以看出，熱輻射功率與熱輻射系數、物體外表積大小以及溫差的4次方成正比。熱熱輻射在傳統光源尤其是熱輻射光源的熱量損失中占有很大的比重，但是LED的發(fā)光原理與傳統光源有很大的區(qū)別，熱輻射在其中所占的比重也很小，以一顆1W的功率型白光LED為例，取其穩(wěn)定工作狀態(tài)下的結溫為350K，芯片面積為1mm2，在不考慮芯片吸熱的情況下，我們可以計算其熱輻射功率：(3-4)我們可以發(fā)現熱輻射的功率大概是整個熱耗散的功率的千分之一左右，因而，在LED燈具的散熱方式選擇上，熱輻射方式的影響可以忽略。3.2散熱方式根據是否需要外界提供額外的能量，可以將散熱分為被動散熱和主動散熱兩種。3.2.1被動散熱被動式散熱[24]指依靠空氣的自然對流，通過散熱片將熱源產生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小相關。雖然被動式散熱構造相比照擬簡單，很容易和燈具的機械構造結合起來，這樣就比較容易到達燈具的防護等級要求。并且被動式散熱整體成本相比照擬低，因而是目前最廣泛使用的一種散熱方式。此外，被動式散熱不會引入額外的動力裝置，因而不會影響燈具整體的效率和壽命。因而，這種散熱方式是LED燈具，尤其是道路照明燈具中最常用的一種方式。但是，這種散熱方式也有缺點，就是散熱效率不高，并且設計出的燈具因為有大量的散熱片，導致燈具過重。同時由于鰭片的存在，使得燈具外殼比較容易集灰，會降低燈具的維護系數。3.2.2主動散熱主動式散熱，指通過風扇等散熱設備強迫性地將熱源產生的熱量從散熱片上帶走，其特點是散熱效率高，散熱器體積小，構造緊湊，但是會增加額外的功耗，并且要考慮到燈具防護等級的要求。主動式散熱包括風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導體制冷、化學制冷等等。1、風冷散熱風冷散熱就是在LED散熱器上安裝風扇，通過空氣強迫對流將熱量帶走。因此，要在允許的溫度條件下將LED耗散的熱量傳遞到熱沉(通常是大氣環(huán)境)，對流散熱的效果好壞是決定散熱系統成敗的關鍵。由于對流散熱量的大小取決于散熱面積、對流散熱系數和傳熱溫差，因此提高散熱能力主要圍繞這三個方面進展。風冷散熱就是通過提高風速，改善氣流組織，來增大對流換熱系數的方法來強化傳熱。風冷散熱雖然價格相對較低，安裝方便等。但是它對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響，而且風扇體積大，噪聲明顯，容易受到灰塵等雜物的影響。2、液冷散熱液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量。出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。液冷散熱器具有很好的散熱效果，均衡了LED的熱量，并且工作噪音低。它的最大優(yōu)勢是導熱速度快，熱容量大、降溫穩(wěn)定，且系統是一個循環(huán)散熱系統。但使用液冷散熱系統不方便，體積大，安裝麻煩，而且要防止漏水和結露現象，成本也非常高。3、熱管散熱熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，通過在全封閉真空管內的液體的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，熱管有極高的導熱性，良好的等溫性，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、構造緊湊、流體阻損小等優(yōu)點。其導熱能力已遠遠超過任何金屬的導熱能力。但是它也存在很多限制。如：流體的流量大于毛細輸送能力，會使毛細枯燥，可能燒毀導管；蒸氣流速過大，超過液體外表張力，那么會使液滴飛散；當所有流體都達沸騰汽化時，會降低傳熱的能力；而蒸氣流達音速時還會發(fā)生塞流現象；同時，低溫的蒸氣流動黏性力，使工作液體流動緩慢。4、半導體制冷半導體制冷就是利用一種特制的半導體制冷片在通電時產生溫差來制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，那么低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導體顆粒上都產生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯而成，從而在制冷片的兩個外表形成一個溫差。利用這種溫差現象，配合風冷/水冷對高溫端進展降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導體制冷具有自身體積小、制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點，冷面溫度可以到達零下10℃以下。但是半導體制冷成本太高，而且可能會因溫度過低導致CPU結露造成短路，而且現在半導體制冷片的工藝也不成熟，不夠實用。5、化學制冷化學制冷，就是使用一些超低溫化學物質，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比方使用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下，還有一些更“變態(tài)〞的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下〔理論上〕，當然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。6、納米尺度傳熱利用熱離子發(fā)射以及熱隧穿效應，通過采用獨特的工藝,將兩個外表的間距控制在納米量級,能夠實現兩個大外表之間的電子隧穿，從而有效的降低了需要抑制的勢壘。如果這種技術成熟的話，可以替代目前其他任何一種散熱技術。納米傳熱技術，是利用量子阱構造電子隧道作為主要冷卻機制，該技術特別之處在于電子是通過帶隙移動，通過偏置電壓，可以加強電子在一個方向上的移動，這樣熱量就可以從一端傳到另外一端，由于兩種材料之間存在一個帶隙，這種帶隙構造不是某一種具有熱傳導性能的材料，是一種很好的絕熱層，這樣熱量一旦被捕捉在另外一端，就不會輕易產生回流的效應。該技術的難點在于如果讓大量的電子通過空隙帶遷移到另外一端，如何使得兩種不同材料距離靠近的足夠讓帶有熱量電子從一種材料隧穿到另外一種材料。第4章LED散熱分析4.1LED散熱途徑概括起來，LED散熱(圖4-1)主要包括3個方面：(1)芯片結到外延層；(2)外延層到封裝基板；(3)封裝基板到外部冷卻裝置。主要散熱方向雙層敷銅層的PCB主要散熱方向雙層敷銅層的PCB大功率LED圖4-1LED散熱途徑LED芯片是發(fā)熱主體，首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片再通過固晶方式傳遞至封裝熱沉〔heatsink〕上面，然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基PCB上，最終鋁基PCB與金屬制散熱器結合，將熱量傳遞至燈具外部，到達空氣化境中。一般LED芯片的熱量最終到達空氣需要經過[25]：LED封裝體—焊錫—鋁基板線路層—導熱絕緣層—鋁基板—導熱硅脂—散熱器。4.2芯片封裝構造和材料針對高功率LED的封裝散熱難題，國內外器件的設計者和制造者分別在構造和材料等方面對器件的熱系統進展優(yōu)化設計。在封裝構造上，采用大面積芯片倒裝構造、金屬線路板構造、導熱槽構造、微流陣列構造等；在材料的選取方面，選擇適宜的基板材料和粘帖材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂。為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發(fā)了多種構造。4.2.1封裝構造目前主要有以下三種類型。①硅基倒裝芯片(FCLED)構造。傳統的LED采用正裝構造,上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，下面采用藍寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹脂的導熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。因此前后兩方面都造成散熱的難題，影響了器件的性能和可靠性。2001年,LumiLeds公司研制出了AIGalnN功率型倒裝芯片構造，如圖4-2所示，LED芯片通過凸點倒裝連接到硅基上。這樣熱量不必經由芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)光區(qū)更接近于散熱體，可降低內部熱沉熱阻[26]。這種構造的熱阻理論計算最低可到達1134K/W，實際做到6～8K/W，出光率也提高了60%左右。但是,熱阻與熱沉的厚度成正比的，受硅片機械強度與導熱性能所限，很難通過減薄硅片來進一步降低內部熱沉的熱阻，制約了其傳熱性能的進一步提高。藍寶石襯底散熱管座藍寶石襯底散熱管座a.正裝的芯片藍寶石襯底硅基散熱管座b.倒裝的芯片圖4-2LED不同的封裝構造②基于金屬線路板構造。金屬線路板構造利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導性質，將芯片封裝到覆有幾毫米厚的銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在金屬夾芯的PCB板上，然后再封裝到散熱片上來解決散熱問題，如圖4-3所示。芯片粘貼材料芯片粘貼材料導熱膠外部熱沉PCB圖4-3LED金屬線路板構造③微泵浦構造。2006年ShengLiu等人通過在散熱器上安裝一個微泵浦系統來解決LED的散熱問題，在封閉系統中，水在微泵浦的作用下進入LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，通過風扇吸熱。這種微泵浦構造(圖4-4)可以將外部熱阻降為1192K/W[29]。這種微泵構造的制冷性較好，但如前兩種構造一樣，如果內部接口熱阻很大，那么其熱傳導就會大打折扣，此外，其構造也較復雜。LED芯片基板熱沉LED芯片基板熱沉水流微泵風扇圖4-4微泵浦構造4.2.2封裝材料封裝構造確定后，可以通過選取不同的材料進一步的降低系統的熱阻，提高系統的導熱性能。目前國內外常針對基板材料、粘貼材料和封裝材料進展擇優(yōu)。eq\o\ac(○,1)基板材料。對于大功率的LED而言，為了解決芯片材料與散熱材料之間因熱膨脹失配造成電極引線斷裂的問題，可以選用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作為散熱材料。但這些合金生產成本過高，不利于大規(guī)模、低成本生產。選用導熱性能好的鋁板、銅板作為散熱基板材料是當前研究的重點之一[30]。eq\o\ac(○,2)芯片粘結材料。選用適宜的芯片襯底粘貼材料并在批量生產工藝中保證粘貼厚度盡量小，對保證器件的熱導特性是十分重要的。通常選用導熱膠、導電型銀漿、錫漿和金錫合金焊料這四種材料進展粘結。導熱膠導熱特性較差。導電型銀漿既有良好的熱導特性，又有較好的粘貼強度，但由于銀漿在提升亮度的同時會發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最正確選擇。導電錫漿和銀漿相似，由于含有鉛、六價鉻等重金屬，不符合ROHS標準。與前三者相比，金錫合金焊料的熱導特性是四種材料中最優(yōu)的，導電性能也非常優(yōu)越[31]，但需要嚴謹的機械設計才能到達高精度的固晶。eq\o\ac(○,3)環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂作為LED器件的封裝材料，具有優(yōu)良的電絕緣性能、密著性和介電性能，但環(huán)氧樹脂具有吸濕性、易老化、耐熱性差、高溫和短波光照下易變色，而且在固化前有一定的毒性，固化的內應力大，對LED器件壽命造成影響[32]。目前許多LED封裝業(yè)者改用硅樹脂和陶瓷代替環(huán)氧樹脂作為封裝材料，以提高LED的壽命?？偟恼f來，低熱阻、散熱良好及低機械應力的新式封裝構造是封裝體的技術關鍵。結點到周圍環(huán)境的熱傳導方式有三種：傳導、對流、輻射。不同的構造和材料均需要解決三個環(huán)節(jié)的散熱問題：芯片結到外延層、外延層到封裝基板、封裝基板到冷卻裝置。這三個環(huán)節(jié)構成固態(tài)照明光源熱傳導的通道，其中任何薄弱環(huán)節(jié)失敗都會使LED光源毀于一旦。也就是說，要想將功率LED的散熱性能和可靠性提升到最高，三個環(huán)節(jié)都需要采用熱導系數高的材料。4.3散熱片4.3.1各種金屬的熱導系數熱導系數直接影響著散熱片的導熱能力，它是散熱片最重要的參數。選擇具有良好導熱性能的材料是散熱片設計最首要的任務。常見金屬的熱導系數如表4-1所示。表4-1常見金屬熱導系數表材料熱導系數(w/m·k)碳鋼39.2~36.7黃銅109鋁合金162銀427鋅121純銅398純鋁236純鐵81.8金298從表中我們可以看出，金、銀熱傳導性良好，但是價格太高。銅的熱傳導率也極高，但是重量是鋁的三倍左右，且很加工性很差，但是用銅做為散熱片的底部可提升熱傳擴散的效率，降低熱阻值。傳統的散熱片的材料為鋁，成本低，且加工性能良好。但是純鋁的硬度缺乏，且金屬切削性能差，在生產實際中多采用鋁合金來制造散熱片。表4-2為幾種鋁合金熱導系數：表4-2常見鋁合金熱導系數表材料熱導系數(w/m·k)特性AA6061型鋁合金155熱傳導和加工均良好，常做散熱片AA6063型鋁合金201ADC12型鋁合金96加工機械性能好AA1070型鋁合金226AA1050型鋁合金209較好的延展性，常做鰭片4.3.2散熱片的形狀散熱片的形狀可以設計成多種形狀，如圓柱陣列、條形陣列、金字塔形狀等，這些都是為了通過改變構造來使用最少的材料獲得最好的散熱效果。圖4-5為不同形狀的散熱片?！瞐〕(b)(d)(c)(f)(e)〔a〕(b)(d)(c)(f)(e)圖4-5不同形狀的散熱片4.3.3散熱片設計的一般原那么散熱片的設計有很多方法，這里主要介紹散熱片設計的一般方式和強制對流散熱片設計方法。首先介紹散熱片設計的一般方式，這些簡單的方法可以對一些應用簡單的散熱片設計提供設計標準：

(1)包絡體積的觀念所謂包絡體積是指散熱片所占的體積，如果發(fā)熱功率大，所需的散熱片體積就比較大。散熱片的設計可就包絡體積做初步的設計，然后再就散熱片的細部如鰭片及底部尺寸做詳細設計。發(fā)熱瓦數和包絡體基的關系如下式所示。

(4-1)(2)散熱片底部厚度要使得散熱片效率增加，散熱片底部厚度有很大的影響，散熱片底部必須夠厚才能使足夠的熱能順利的傳到所有的鰭片，使得所有鰭片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪費材料，也會造成熱的累積反而使熱傳能力降低。良好的底部厚度設計必須由熱源局部厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳遞。散熱瓦數和底部厚度的關系如下所示：

(4-2)

(3)鰭片形狀：散熱片內部的熱藉由對流及輻射散熱，而對流局部所占的比例非常高，輻射基本忽略不計。a.間隔散熱片的壁面會因為外表的溫度變化而產生自然對流，造成壁面的空氣層(邊界層)流，空氣層的厚度約2mm，鰭片間格需在4mm以上才能確保自然對流順利。但是卻會造成鰭片數目減少而減少散熱片面積。鰭片間格變狹窄，自然對流發(fā)生減低，降低散熱效率。鰭片間格變大，鰭片變少，外表積減少。

b.鰭片角度鰭片角度約三度。

c.鰭片厚度當鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片厚度薄高的情況，會造成前端傳熱的困難，使得散熱片即使體積增加也無法增加效率。散熱片變短時，增加外表積會增加散熱效率，但也會使散熱片的體積減少而造成的缺點(熱容量減少)因而產生。因此鰭片長度需保持一定才能產生效果。鰭片變薄,鰭片傳熱到頂端能力變弱；鰭片變厚，鰭片數目減少(外表積減少)；鰭片增高，鰭片傳到頂端能力變弱(體積效率變弱),鰭片變短，外表積減少。

(4)散熱片外表處理：

散熱片外表做耐酸鋁(Alumite)或陽極處理可以增加輻射性能而增加散熱片的散熱效能，一般而言，和顏色是白色或黑色關系不大。外表突起的處理可增加散熱面積，但是在自然對流的場合，反而可能造成空氣層的阻礙，降低效率。

此外實際散熱片設計時還需考慮與元件以及環(huán)境的配合，尤其是高效能散熱片的設計需配合實驗量測驗證以及CFD或者ANSYS的分析模擬。

隨著散熱的需求日益增加，散熱片的效率需要進一步提升，強制對流散熱片設計方法也得到應用越來越廣泛。基本上可透過兩個方式來改善，第一個方法是增加熱傳系數h，第二個方法那么是增加散熱面積，可由牛頓冷卻定律說明。

(4-3)

熱傳系數可以通過以下幾個方法增加：

(1)增加空氣流速這個是很直接的方法，可以配合風速高的風扇來達成目的，但是須注意當鰭片變密或是形狀形成阻礙時，會造成流阻，形成背壓或回流，產生噪音及灰塵。

(2)平板型鰭片做橫切將平板鰭片切成多個短的局部，這樣雖然會減少散熱片面積，但是卻增加了熱傳導系數，同時也會增加壓。當風向為不定方向時，此種設計較為適當。

(3)針狀鰭片設計針狀鰭片散熱片具有較輕及體積較小的優(yōu)點，同時也有較高的體積效率，更重要的是具有等方向性，因此適合強制對流散熱片。鰭片的外型有可分為矩形、圓形以及橢圓形，矩形散熱片是由鋁擠型橫切而成，圓形那么可由鍛造或鑄造成型，橢圓形或液滴形的散熱片熱傳系數較高，但成型比較不易。

(4)沖擊流冷卻利用氣流由鰭片頂端向底部沖擊，這種冷卻的方式可以增加熱傳導性，但是須注意風的流向配合整體設計。另一方面，強制對流散熱片的設計還須注意系統風向及機構配合，利用系統風散熱、注意其他零件造成的流阻以及利用外殼等部份做進一步散熱，以節(jié)省空間。第5章LED散熱構造仿真及設計5.1ANSYS簡介5.1.1ANSYS軟件介紹ANSYS軟件[33]是融構造、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進展穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與構造應力之間的熱－構造耦合分析能力。5.1.2有限元法的基本過程ANSYS軟件是通過運用有限元法完成熱分析過程的。通常，有限元法的步驟如下流程圖5-1所示。開場開場進入ANSYS翻開通用前處理器PREP7定義材料特性、幾何特征定義單元類型、選項建設散熱片實體模型并進展網格劃分關閉PREP7，進入求解處理器SOLUTION1定義分析類型和選項施加便捷約束條件和約束載荷關閉SOLUTION進入通用后處理器POSTI通過圖形顯示散熱片溫度云圖關閉POST1,.退出ANSYS完畢束1圖5-1有限元法分析流程圖為使熱分析的結果盡可能真實地反映散熱片實際工作情況，又要防止繁瑣的熱分析過程，需在散熱片熱分析功能模塊的開發(fā)過程中作一些合理假設和簡化處理：eq\o\ac(○,1)假設工作時散熱片外表的對流換熱系數都是一樣的；eq\o\ac(○,2)計算中忽略輻射散熱對計算結果的影響。關于散熱片的邊界問題，在傳熱學中有3種邊界條件：第一類邊界條件：給定物體外表溫度的分布及其隨時間的變化，即當時時，。第二類邊界條件：給定物體外表上熱流密度的分布及其隨時間的變化，即當時，。第三類邊界條件：給定物體周圍流體的介質溫度和物體外表與周圍介質之間的對流換熱系數，即當時，在本文散熱片的熱分析中，由于空氣的溫度和散熱片外表與空氣之間的對流換熱系數，因此應歸為第三類邊界條件問題。5.2LED散熱片截面分析5.2.1單個LED需要的散熱面積的估算由對流散熱方程：(5-1)變換公式得到：(5-2)一般容許室溫25℃時溫升35℃，即60℃。自然對流時，h的典型值為5W/(m2·℃)對于1W的熱量，(5-3)單顆1W(VF=3.3V,1F=300mA)的LED發(fā)熱80%,所以所需散熱面積為46cm2。5.2.2散熱片截面尺寸優(yōu)化(1)設定底座中心溫度為恒定數值，調整散熱片翅片間距和翅片厚度的比例關系，用ANSYS進展仿真，散熱片最低溫度隨翅片間距與翅片厚度的比例關系變化如圖5-2所示：圖5-2翅片間距與厚度比例變化時的最低溫度從上圖可以看出，在翅片間距與翅片厚度的比值為1.5:1時，存在拐點，此時散熱效果較好。(2)設定底座中心溫度為恒定數值，調整底座與翅片高度的比例關系，用ANSYS進展仿真，散熱片最低溫度隨底座厚度與翅片寬度的比例關系變化如圖5-3所示。圖5-3底座厚度與翅片厚度比例變化時的最低溫度從上圖可以看出，底座厚度與翅片厚度為1:1時，散熱片效果最好。(3)設定底座中心溫度為恒定數值，調整散熱片數目，用ANSYS進展仿真，散熱片最低溫度隨翅片數目變化如圖5-4所示。圖5-4散熱片數目變化時的最低溫度從上圖可以看出，隨著翅片數目的增加，最低溫度逐漸降低。(4)設定底座中心溫度為恒定數值，調整散熱片高度與翅片厚度的比值，用ANSYS進展仿真，得到最低溫度變化如圖5-5所示。圖5-5散熱片高度與翅片厚度比例變化時的最低溫度從上圖可以看出，隨著翅片高度的增加，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，不必要把翅片做的過長增加額外的成本和體積。(4)我們可以看出，散熱片的散熱性能與翅片間距、翅片厚度、翅片高度、底座厚度有關。截面如圖5-6所示。從上述分析可以得到散熱片截面模型的優(yōu)化比例關系為：B=1.5A；C=1A。圖5-6散熱片截面圖此外，在實際情況中，通常散熱片還有一定的傾斜角度，一般為3°左右。同時，還可以仿真不同形狀的散熱片，如圓盤形，或不規(guī)那么圖形，還可以在散熱片上增加花紋，以更大程度的增加散熱面積。但是，上述形狀的改變僅僅只是為了增加面積，擴大與空氣的導熱能力。散熱片的基本模型即上述討論的形狀，具有代表性。5.3利用ANSYS對不同形狀散熱片的仿真上述研究只是針對散熱片的截面進展分析，對于整體散熱片性能可能會存在不同。并且，上述研究時設定底面中心溫度為恒定值，而對于LED芯片來說，它所產生的熱量是固定的，固定某點溫度進展研究是不符合LED的模型的。因而下面將針對仿真散熱片整體構造進展研究，從而更加準確的分析散熱片的性能及各參數對它的影響。此時，我們在散熱片中心放置LED芯片，施加熱流密度。5.3.1利用ANSYS對直板式散熱片仿真(1)設置散熱片整體長5cm，寬5cm，整體高度為4cm，底座厚度為3mm，翅片間距不同時，散熱片溫度分布云圖如圖5-7所示。b.間距為1.5mmb.間距為1.5mma.間距為1mm圖5-7不同間距時溫度分布圖d.間距為2.5mm圖5-7不同間距時溫度分布圖d.間距為2.5mm時c.間距為2mm時間距不同時，散熱片各個參數如表5-1所示。表5-1不同翅片間距時的最高溫度翅片間距(mm)翅片厚度(mm)間距：厚度翅片數目最高溫度(℃)1112591.0221.511.52087.6672121699.4382.512.514107.982由上表可以看出，翅片間距不是越大越好，也不是越小越好，當翅片間距與翅片厚度比值為3:2時，效果最好。間距越小，翅片越薄，單位長度上可裝載的散熱片的數量越多，從而增加了散熱面積，提高了散熱能力。(2)設置散熱片整體長5cm，寬5cm，底座厚度為3mm，翅片厚度為1mm，翅片間距為1.5mm，當整體高度不同時，散熱片溫度分布云圖如圖5-8所示。b.整體高度為4cmb.整體高度為4cm時a.整體高度為3cm時，d.整體高度為6cmd.整體高度為6cm時c.整體高度為5cm時圖5-8整體高度不同時的溫度分布圖5-8整體高度不同時的溫度分布整體高度不同時，散熱片各個參數如表5-2所示。表5-2整體高度不同時的最高溫度整體高度(cm)整體高度：翅片厚度最高溫度(℃)33:1103.74844:187．66755:178.33566:172.292從上表可以看出，最高溫度隨著整體高度的增加而減小。因而散熱片整體高度越高，效果越好。增加散熱片的高度可以增加換熱面積，從而提高散熱。但是高度的增加會使散熱片頂部的局部傳熱系數降低，導致平均傳熱系數的降低。同時，高度還影響從散熱片基面到端部的溫度降。高度越大，溫降越大，導致散熱片外表與周圍大氣平均溫差降低，不利于散熱。在實際應用中，散熱片還受到整體外形尺寸的限制。(3)設置散熱片整體長5cm，寬5cm，高5cm，翅片厚度為b.底座厚度為1mmb.底座厚度為1mm時a.底座厚度為0.8mm時d.底座厚度為2mm時c.底座厚度為d.底座厚度為2mm時c.底座厚度為1.5mm時圖5-9底座厚度不同時的溫度分布圖5-9底座厚度不同時的溫度分布底座厚度不同時，散熱片各個參數如表5-3所示。表5-3底座厚度不同時的最高溫度底座厚度〔cm〕底座厚度:翅片厚度最高溫度(℃)0.84:571.23411:178.3351.53:296.96122:186.817從上表可以看出，最高溫度隨底座厚度的增加先增大后減小。觀察結果，當底座厚度與翅片厚度相等時，效果較好。(4)設置散熱片整體長5cm，寬5cm，高5cm，翅片厚度為1mm，翅片間距為1.5cm，底座厚度為3mm翅片高度不同時，溫度分布云圖如圖5-10所示。a.翅片高度為2cm時b.翅片高度為3cm時c.翅片高度為4cm時d.翅片高度為5cm時圖5-10翅片高度不同時的溫度分布翅片高度不同時，散熱片各個參數如表5-4所示。表5-4不同翅片高度時的最高溫度翅片高度(cm)翅片高度：翅片厚度最高溫度(℃)220:179.861330:178.335440:178.173550:178.598從表中我們可以看出，最高溫度隨翅片高度的增加先減小后增大，當翅片高度是厚度的4倍時，效果最好。5.3.2利用ANSYS對柱狀散熱片進展仿真(1)整體厚度不同時，散熱片的溫度分布云圖5-11所示：a.整體厚度為3cm時b.整體厚度為4cm時c.整體厚度為5cm時d.整體厚度為6cm時圖5-11整體厚度不同時的溫度分布隨著整體厚度不同時，散熱片的最高溫度也在變化(表5-5)。表5-5整體厚度不同時的最高溫度整體厚度(cm)最高溫度(℃)391.646478.732570.828665.56從上表可以看出，最高溫度隨著散熱片整體厚度的增加而減小，因而，整體厚度越大，效果越好。但是整體厚度的增加會顯得散熱十分笨重，占用更大的空間。實際應用中要選擇適當的尺寸即可。(2)翅片厚度不同時，散熱片的溫度分布云圖5-12所示：a.翅片厚度為2°時b.翅片厚度為3°時c.翅片厚度為4°時d.翅片厚度為5°時圖5-12翅片厚度不同時的溫度分布隨著翅片厚度的增加，散熱片的最高溫度也在變化(5-6)。圖5-6翅片厚度不同時的最高溫度翅片厚度〔°〕最高溫度(℃)280.661378.732477.40576.131從上表可以看出，最高溫度隨著翅片厚度的增加而減小。翅片厚度越小，翅片數目越多，散熱面積越大，那么會大大增加傳導和對流的效果，因而散熱效果越好。但是，翅片越薄，加工難度越大，且易折斷。因而，在實際中要結合加工精度進展厚度的選擇。(3)整體半徑不同時，散熱片的溫度分布云圖如圖5-13所示：a.整體半徑為3cm時b.整體半徑為3.5cm時c.整體半徑為4cm時d.整體半徑為4.5cm時圖5-13整體半徑不同時的溫度分布隨著整體半徑的增加，散熱片的最高溫度也在變化(表5-7)。表5-7整體半徑不同時的溫度分布整體半徑(cm)最高溫度(℃)397.3223.585.424477.4074.571.632從上表可以看出，最高溫度隨著整體半徑的增加而降低。顯然，散熱片整體半徑越大，能夠傳導的距離越遠，散熱效果那么會加強。但是，隨著半徑的增加，翅片越不易固定，并且要占用更大的空間。在實際中，要結合實際的要求選擇合理的參數即可。(4)中心實體厚度不同時，散熱片的溫度分布云圖如圖5-14所示：a.中心實體厚度為0.7cm時b.中心實體厚度為1cm時c.中心實體厚度為1.5cm時d.中心實體厚度為2cm時圖5-14中心實體厚度不同時隨著整體半徑的增加，散熱片的最高溫度也在變化(5-8)。表5-8中心實體厚度不同時的最高溫度中心實體厚度(cm)最高溫度(℃)0.775.329177.4071.583.298291.757從上表可以看出，最高溫度隨著中間厚度的增加而升高。顯然，當中心厚度越大時，翅片越短，散熱面積減小，而對流、傳導中散熱效果均與散熱面積成正比，因而，中心厚度越厚，散熱效果越差。但是，假設中心厚度太小，那么不能很好的固定LED芯片，構造不穩(wěn)定。5.4LED燈具散熱構造5.4.1燈具構造設計目前，雖然市場上也有很多LED照明燈具的散熱構造，大多數人總是想方設法利用不同的散熱方式，如風冷、液冷、熱管等方式，這些提高了散熱性能，但是不可防止的存在著成本高、需要提供額外的能量等缺點而傳統的利用散熱片散熱，不僅能與燈具構造更嚴密的結合，而且，只要合理設計形狀和參數，同樣可以到達理想的散熱效果，散熱片其實還有很大的改進空間。同時，目前在LED散熱構造研究中還存在的一個巨大問題是，大多數人把注意力放在如何快速將熱量帶離熱源，但是，如果不能高效地將熱量與外界環(huán)境進展交換，依然無法到達理想的效果。熱量與外界環(huán)境進展交換，最直接最有效的就是進展良好的通風，利用熱流上升和空氣對流，迅速的將熱量發(fā)散到空氣?；谏鲜鏊枷?，依據前面推導的散熱片優(yōu)化數值，設計出了基于空氣對流的LED照明燈具構造，整體構造如圖5-15所示：圖5-15LED照明燈具散熱構造整體圖該款新型LED照明燈具散熱構造由LED燈組、帶通孔的散熱底基板和導熱背板、散熱鰭片、散熱管道及通風板組成。具體的組成構造為：LED燈組是5×8個1W的封裝好的LED芯片組成。LED芯片直接均勻的分布在銅質的散熱基板上，銅較高的散熱系數可以將熱量迅速帶離芯片，防止結溫升高。在銅板的上方，分布著鋁合金的散熱鰭片，散熱鰭片的形狀與弧形的導熱背板嚴密結合。頂部弧形的導熱背板增加了散熱面積，可以有效的將能量發(fā)散到空氣中。散熱基板和弧形散熱蓋對應均勻的分布著散熱通孔，散熱通孔由散熱管道相連。管道與基板連接處溫度較高，加熱了管道內的空氣，熱空氣上升將從與散熱蓋連接的通孔擴散到空氣中。底部的冷空氣會通過基板上的通孔進入管道，實現空氣對流，完成冷熱空氣的交換，并及時帶走了熱量。兩側的通風蓋上對稱分布著矩形的通風孔，良好的通風條件可以有效的帶走散熱鰭片上的熱量。從下往上看時，LED燈具如圖5-16所示：導熱背板散熱鰭片導熱背板散熱鰭片散熱通孔通風蓋散熱底板通風孔散熱通孔LED芯片圖5-16從下往上看LED燈具散熱構造分解圖該燈具基本尺寸是根據前面分析的直板式散熱片構造數據進展設計的。其中間距為厚度的1.5倍，底座與翅片厚度一樣，邊界的散熱翅片高度是散熱翅片厚度的4倍。但是，為了增加與空氣的接觸面積，導熱背板設計成了弧狀構造，所以將散熱翅片設計成與導熱背板和散熱基板嚴密結合。從上往下看時，燈具構造如圖5-17所示：導熱背板散熱鰭片導熱背板散熱鰭片散熱通孔通風蓋散熱底板通風孔散熱管道圖5-17從上往下看時燈具構造5.4.2燈具構造熱仿真首先，在ANSYS內建模，如同5-18所示圖5-18ANSYS建設LED燈具散熱構造模型然后劃分網格后，設定LED散熱為總能量的80%，那么每個芯片上熱能為0.8W，芯片大小為分布在1cm2，那么熱流密度為8000W/cm2。設自然對流系數為10W/(m2?℃)，外界溫度25℃。設定參數后，進展仿真，得到溫度分布云圖如圖5-19和圖5-20所示。圖5-19溫度分布云圖(底座)圖5-20溫度分布云圖(散熱片)從仿真結果我們看出，芯片最高溫度64.194℃。到達了理想的效果。該新型的LED照明燈具散熱構造充分利用了熱傳導理論和空氣對流理論，緊湊的構造不會占用很大的空間，形狀的優(yōu)化和良好的通風設計都將使這款燈具具有良好的散熱效果。目前，未發(fā)現與此款LED燈具一樣的散熱構造。第6章完畢語6.1總結本次畢業(yè)設計，通過研究LED散熱的基本理論，分析了散熱構造和散熱方法。在對影響LED散熱性能的因素有了清楚的了解后，利用軟件進展了仿真設計。下面是對本次畢業(yè)設計工作的幾點總結。根據LED散熱的基本原理，建設了LED散熱模型，探討了LED散