LED散热器结构研究及优化

1、LED散热器结构研究与优化 目录11.LED背景介绍2.LED传热的理论基础3.LED散热器的设计与模拟4.LED散热器的优化设计5.结论与展望vLED介绍v1.1背景介绍 LED(Light Emitting Diode)是一种注入式固态冷光源。LED为第四代光源具有发光效率高、使用寿命长以及节能环保的优点,目前己经在室内照明、道路照明、装饰等领域得到了广泛的应用。然而,由于LED芯片电光转换效率低,有约80-90%的电输入功率转换为了热量,热量无法散失将导致LED芯片结点温度上升,影响使用寿命、导致光衰,因此,目前LED热问题成为了制约LED照明技术发展的技术瓶颈。1.2发光原理v LED

2、相对于前三代灯源是冷光源，它的P 区的空穴和 N 区的电子都会向中间交界面移动，电子和空穴在 PN 结附近发生复合，多余的能量则会以光的形式释放出来，从而发出光子，它是把电能转化成光能。v1.3LED发展现状 目前随着 LED 技术的高速发展，其应用出现在多个领域中，主要的应用领域包括以下的六个方面： (1)显示屏：各种交通、广告和金融显示屏等 (2)照明：道路照明，景观照明，美化照明，商业照明等 (3)交通信号灯：包括指示灯、信号灯、标识灯等。 (4)汽车灯：包括汽车内部的阅读灯、指示灯及仪表板和外部的侧灯、头灯以及尾灯等 (5)背光源：手机显示屏、液晶显示屏等的背光源。 (6)其他应用：包

3、括特殊照明，军事照明和工艺照明等 v1.4LED照明系统的问题 (1)光衰严重 当光通量下降到原来的 50%70%的时候，就会认为灯具的有效寿命已经结束，需要更换新的灯具。 (2)显色性差 发光的光谱中只含有蓝色和黄色，这样就会使色温偏高、显色指数偏低 (3)发光效率还不高 市场上量产的大功率白光 LED 都是价格低廉的产品，其发 光效率还在 80lm/W 左右徘徊，对比传统光源，节能这一优势还不能很好的表现出来。 (4)散热器散热 散热器的材料、结构设计影响散热器散热。2.LED传热的理论基础2.1热传递的基本模式 (1)热传导 (2)热对流(3)热辐射v2.2LED 散热方式 与其它固态半

4、导体相比，LED 对温度的敏感性更强。热传导和热对流是 LED灯具散热的主要方式，而热辐射则基本可以忽略不计。通用的散热方式有：风冷、液冷、热管制冷、半导体制冷等。 风冷散热方式 (1)自然对流散热 (2)热管风冷散热 (3)强制对流散热 强制对流散热 风扇翅片式散热器 热管制冷 3D打印的散热器外壳模型，其内部通过两个微型的热管与散热器的外壳相连接，散热比较快v2.3散热器主要成型技术 (1)挤压成型散热器 挤压成型技术是将铝原料加热到一定程度，然后在高压下让其进入挤型模具，这样就得到了散热器初胚，再对散热器初胚进行裁剪、剖沟等进一步的加工处理，最终成型。 (2)压铸成型散热器 压铸成型技术

5、首先也是将铝原料加热到一定程度，然后使其进入金属模型，最后利用压铸机进行压铸成型。 (3)插翅结合技术 结合型散热器用铝材料制成翅片，同时制作具有沟槽的基座，然后用导热胶或者焊锡把它们结合一起。结合型散热器在保证其散热效果良好的前提下，还可以在同一个基座上连接不同材料的翅片。3.LED 灯具散热器的设计与模拟 一般步骤： 1.通过solidworks建立LED灯具的模型 2.导入到ANSYS中，设定LED灯具模型各个零部件的材料以及它们的导热系数 3.对LED灯具以及接触部分的热阻划分网格 4.对LED各个零件设置它们的传热方式，比如热对流，热辐射一些参数 5.求解它的瞬态温度分布云图以它的内

6、部热生成的温度分布云图v实验模拟过程 应用 ANSYS 软件进行模拟的具体步骤如下所示： (1)进入前处理器，选择单元类型，设置热分析单元。 LED 灯具的三维模型 (2) 建立简易模型，如图所示。在建立灯具三维模型的过程中，进行了简化处理，去掉了对模拟结果不影响或者影响较小的点、线、面，所以本模拟忽略了灯具的灯壳和电源，这样不仅方便了实体的建模，而且还提高了软件运行速度。如图所示为灯具模型的细节示意图，1 为 LED 芯片，2 为高导热银胶，3 为铜热沉，4 为导热胶，5 为铝基板，6 为导热胶，7 为铝合金散热器。 (3)定义模型中各部分材料的性能参数。ANSYS 软件的瞬态热分析需要定义

7、材料的导热系数、密度和比热容这三个参数 各种材料的性能参数v (4)网格的划分。由于模型较为复杂，采用自由网格的划分方法来划分网格，把 LED 芯片，高导热银胶，铜热沉，导热胶 A 这四部分的单元边长定为0.001m，网格的划分如图(a)所示；把基板，导热胶 B，散热器这三部分的单元边长定为 0.01m，网格的划分如图 (b)所示。 (5)进入求解过程。采用瞬态热分析法进行模拟。 首先，把 10 设定为初始的时间步长，打开自动时间开关， 自动地调节时间步长。 芯片的生热载荷通过计算得到 定义模型中各个部分的初始温度为室温 25 接着，在灯具的散热器与空气接触的那部分面上施加对流载荷，对流载荷为

8、面载荷，定义空气的对流系数为h=5W/(m2K) 最后，进行求解计算。设定求解的时间为 7200s，即模拟灯具在运行 2 小时之后的温度场分布39m/105 . 8WQv (6)进入后处理过程，得到温度场分布云图，如图所示LED 灯具运行 2 小时后的温度模拟云图实验结果分析 由上图中可以观察出，LED 灯具在运行 2 个小时之后，整个灯具的最高温度为 52.149，即可认为其是芯片的结温，而整个灯具的最低温度为 40.704，即可认为其是散热器的温度。 4.LED 灯具散热器的优化设计 首先散热器本身材料的性能对散热效果有着决定性的影响，如导热系数、比热容、辐射率等，这些因素在散热器材料选定

9、时就是固定不变的，所以不予以考虑； 其次散热器的一些结构参数对散热效果也具有一定的影响，例如翅片长度、翅片厚度、翅片间隙等。 最后使用环境与安装方式同样对散热效果有影响，例如环境温度、当地风速、昼夜温差、安装方式等4.1影响散热器散热效果的因数4.2优化过程 重点分析了散热器的翅片长度、基部厚度、槽宽度、槽数、翅片厚度、翅片间隙这六种因素对散热器散热性能的影响。 研究方法是改变其中一个参数，其他参数不变，得出它们对散热器散热性能的影响趋势。 然后通过正交试验优化得出结论： 翅片厚度槽宽度翅片间隙槽数基部厚度v4.3优化结果 1.在对散热器进行优化设计时，在不影响散热器物理性能的情况下，应该尽量

10、地减少散热器的基部厚度，降低成本。 2.在对散热器进行优化设计时，应该尽量地减小槽宽度，应用试验所得的优水平，为 1mm。 3.同时应该尽量地增加槽数，在不影响散热器物理性能的情况下，可远大于试验所得到的优水平。 4.由极差分析得到的翅片厚度和翅片间隙的优水平都为1mm，但考虑到翅片厚度和翅片间隙越小，散热器的制作就越困难。综合实验分析翅片厚度和翅片间隙都应选 2mm为最佳。5.结论与展望 1.在相同散热面积的情况下，通过改变散热器的形状可以使结温降低。 2.提出了一种散热器优化方法。 3.应用正交试验法对散热器进行优化设计5.1结论v5.2展望 对LED智能控制。例如，把单片机技术、通信技术

11、、与 LED 技术相结合，实现对LED的无线控制。参考文献v 刘永玺. 大功率白光 LED 的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究D. 厦门：厦门大学，2008.v 熊慰. 大功率 LED 路灯散热分析与设计D. 湖北：华中科技大学，2009.v 毛兴武. LED 的发展和应用. 电子元器件应用J. 2005，10：77-83.v 韩月. 大功率 LED 灯具散热器设计D. 北京：北京化工大学. 2012.v 马泽涛. 白光高亮度发光二极管_HB_LED_封装研究D. 湖北：华中科技大学，2005.v Yung S.Liu，Jung-Tsung Hsu，Jim Chi. Shyi-Ming Pan，et al. Progress of Solid State Lighting Technology in TaiwanC，Proc. of SPIE Vol.5187（2004），199-206.v Miller，Paul. Measurements for LED performance and safetyJ. Journal of Light and Visual Environment. 2008.（5）：156-160.v Wenzl F