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電子散熱器在led路灯上的应用与发展

點擊:次  來源:本站 時間:2016-05-18

隨著現在節能環保和綠色新能源的提出,led亮化照明産品開始在不斷的普及與推廣,但是隨之而來的也是led路燈電子散熱器的结构设计与安装使用问题,下面一起来简单的看下led路灯電子散熱器的相关设计和研究信息吧!

1 led電子散熱器问题的提出与产生

LED作爲新一代的環保型固體照明光源,其發光效率經過幾十年的發展已經得到了較大的提高,它具有耗電量小、使用壽命長、安全環保、體積和功率小、配光容易等一系列的優點[1]。隨著科技的發展,LED芯片的集成度越來越高。LED的功率越高,它的熱流密度會越大。如果熱量不能及時地從芯片內部散出去,那麽芯片內部的熱量會不斷積聚,從而導致芯片結溫不斷地上升。過高的結溫會造成光波長的漂移、出光效率降低、芯片加速老化等一系列的問題[2-4]。因此爲了保證LED路燈能夠在正常溫度下工作,必須使産生的熱量及時地散發出去。目前LED的發光效率只有10%~20%,其余80%~90%的能量轉化成了熱能[5],所以LED芯片的散熱變得至關重要。

很多学者都对電子散熱器进行了研究。Hung-YiLi,Shung-MingChao[6]研究了交错流中板翅式電子散熱器的性能,考虑了冷却空气的雷诺数,翅片高度和宽度对散热器热阻和压降的影响。Dong-KwonKim[7]等人研究了在垂直流体流动方向上翅片厚度的变化对電子散熱器散热性能的影响,表明在沿着垂直流体流动方向上逐渐增加翅片厚度可以减少電子散熱器的热阻。

研究中针对一款实际使用的電子散熱器进行了优化分析,应用ANSYS有限元软件并且结合正交设计法对这款分布式200WLED路灯的電子散熱器进行结构参数的优化,如图1所示。大功率LED路灯的正常使用温度是65℃以下,因此本文优化的主要目的是保证LED路灯在正常温度下工作,并且在此基础上使散热器的质量更轻。


图1 分布式LED路灯

2 電子散熱器分析模型

2.1 传热基本形式

自然界的热传递有3种基本的方式:热传导、热对流和热辐射。在LED散热系统里,这3种热传递方式都存在。出于可靠性和成本的考虑路灯散热器一般采用自然对流散热形式。因此LED電子散熱器的分析模型可以简化成不考虑热对流和热辐射的热传导传热模型。这样在不考虑热对流和热辐射的情况下能够满足散热,那么在实际情况下它一定是符合散热要求的。

對流換熱的熱流量可以用牛頓冷卻公式表示


式中A爲散熱面積,h爲對流換熱的表面傳熱系數,Δt爲溫差,並規定溫差始終爲正值[9]。

從式子(1)可以知道,對流換熱熱流量的大小與散熱面積、溫差和表面傳熱系數有關。因此可以增加散熱面積來增強散熱器的散熱性能。

2.2 散热器模型的建立

電子散熱器结构如图2所示,其总体尺寸为300mm×600mm×110mm,它具有空间对称结构,因此温度场模拟时只取其1/2进行分析。散热器的基板呈弧状,基板上形成6×20的LED阵列(图中从左至右依次为1W、3W、1W、1W、3W、W1阵列);其共有5对翅片,翅片的左下缘在圆柱面上;中间的2个圆柱孔起支撑作用,顶上的弧形结构起辅助作用。与传统的散热器相比较,该散热器具有以下2个方面的优点:①散热器的翅片呈水平,灰尘和污垢不容易在翅片上堆积,还能够防雨,这样可以保证散热器的散热效果。而传统的電子散熱器其翅片是竖直的,灰尘和污垢很容易在翅片上堆积,影响電子散熱器的散热效果。②散热器的翅片呈水平,充分地利用了空气动力学,空气的浮力能够降低路灯对其灯杆的弯曲扭矩。这样可以保证LED路灯的安全性能。

對與空氣接觸的散熱器外表面均設爲自然對流,對流傳熱系數爲10W/(m2·K)。散熱器的2個圓柱孔是通過2個支架起支撐作用的,其內表面沒有與空氣接觸,可以定義爲絕熱。由于燈罩的密封作用,剩下的散熱器表面也定義爲絕熱。散熱器的材料爲鋁合金104,其導熱系數爲147W/(m2·K)。環境溫度設置爲35℃。LED熱源的尺寸與散熱器基板的尺寸相比要小得多,因此可以將LED熱源簡化爲點熱源。散熱器的有限元模型如圖3所示。


3 散热器结构参数的优化设计及结果分析

3.1正交試驗設計

正交试验设计法是一种高效率、快速、经济的设计方法。文中研究電子散熱器不同的结构参数对其温度场的影响,为了缩小运算规模,设计了正交试验对電子散熱器结构进行多次的热分析。试验选取翅片厚度、翅片间距、翅片外轮廓半径以及基板厚度作为设计变量,并把散热器的最高温度和散热器的质量作为试验的指标。考虑到散热器的模具设计以及整个LED路灯结构大小的限制,确定各个设计变量的取值范围:翅片厚度2~4mm,翅片间距6~8mm,翅片外轮廓半径176~180mm,基板厚度5~9mm。每个变量取3个水平,因此该试验为4因子3水平试验,可选用L9(34)正交表。因子和水平设置表如表1所示。

表1 因素和水平设置表


3.2試驗結果分析

試驗結果如表2所示。

表2 试验结果表


利用極差分析法對表2中的正交試驗模擬結果進行分析,見表3至表6。

在模拟的范围内,通过表3~表6各个因素对试验指标的极差,可以知道散热器各结构参数对其质量和散热性能的影响大小情况。各因素对電子散熱器质量影响的主次顺序为:翅片厚度、基板厚度、翅片外轮廓半径和翅片间距;各因素对散热器最高温度影响的主次顺序为:翅片间距、翅片厚度、翅片外轮廓半径和基板厚度。

通过表3-表6各个因素不同水平下试验指标的平均值,可以确定各因素的优化水平组合。对于散热器质量这个试验指标,其最优化水平组合为:A1 B3 C1 D1;对于散热器最高温度这个试验指标,其最优化水平组合为:A1 B1 C3 D1。

表3 翅片厚度对试验指标的极差分析表


表4 翅片间距对试验指标的极差分析表


表5 翅片外轮廓半径对试验指标的极差分析表


表6 基板厚度对试验指标的极差分析表


以上2个指标单独分析出的优化水平组合不完全一样,对于因素A和D,毫无疑问,取A1和D1;对于因素B,其对散热器最高温度的影响排在第1位,对散热器质量的影响排在最后,因此B因素取B1;对于因素C,其对散热器质量和最高温度的影响次序是一样的,但是当C因素取C1时,散热器质量比取C3时降低了3.1%,而散热器最高温度升高了1.2%,故C因素取C1。综上所述,各因素的最优水平组合为A1 B1 C1 D1,也就是表2中的第1号模型结构。图4所示为A3 B2 C1 D3组合的散热器温度场分布图,其他组合的分析类似。


图4 A3 B2 C1 D3组合的温度场分布/K

4 结论和展望

通過ANSYS有限元熱分析並結合正交試驗法,分析不同結構參數對分布式高功率LED路燈散熱器的穩態溫度場的影響,得到了較優的參數組合。這不僅保證了散熱器的散熱效果,而且還可以幫助企業降低其成本,獲得更好的經濟效益。因此這種優化方法對于推廣LED路燈具有非常重要的作用和意義。

有关led路灯散热的電子散熱器的相关研究基本上就算这样了,如果大家还有其他需要了解的,欢迎来电聯系AG最新网站,AG最新网站将竭诚为大家服务。

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