加裝導(dǎo)流罩的大功率LED強化換熱特性研究

王志斌, 劉永成, 張 健, 劉麗君, 孔亞楠

(燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

引言

大功率LED作為一種新型光源，其耗能低，用電量為傳統(tǒng)白熾燈的10%[1]；壽命長，LED燈壽命可達(5～10)×104h；綠色環(huán)保，不含重金屬等優(yōu)點[2]。然而大功率LED還存在著發(fā)光效率低、光強分布不均、散熱量大等問題，阻礙著LED光源的推廣。在產(chǎn)熱方面，大功率LED近80%的能量轉(zhuǎn)化為熱[3-4]，當散熱不暢時，會對LED的半導(dǎo)體器件造成不可逆的損傷，導(dǎo)致其光譜紅移，使用壽命縮短[5-7]。對于大功率LED散熱，魯祥友等提出了一種回路熱管，將散熱器的熱阻保持在0.48 W～1.47 W之間[8]。羅小兵等提出了一種封閉微噴射流方案，獲得了較好的散熱效果[9]。寇志海等提出了一種平板熱管散熱方案，使LED結(jié)溫保持在了47.9 ℃～59.0 ℃之間[10]。萬忠民等提出了一種多孔微熱沉，在熱流密度為200 W/cm2的情況下，最高溫度達到55.2 ℃[11]。

本文在風冷散熱的基礎(chǔ)上，在散熱器與風扇之間加裝導(dǎo)流罩，并分析肋片夾角對散熱效果的影響，以改變流經(jīng)散熱器的流體流形，達到較好的散熱效果。

1 理論闡述

穩(wěn)態(tài)條件下等截面肋片的導(dǎo)熱數(shù)學模型為

(1)

式中：h為對流換熱系數(shù)；P為肋片截面周長；Ac為肋片截面面積；λ為肋片導(dǎo)熱系數(shù)；t為肋片在x處的溫度；t∞為環(huán)境溫度。

令

(2)

式中：δ為肋片厚度；l為肋片長度。

令θ=t-t∞，θ為過余溫度，將上述條件代入導(dǎo)熱微分方程和其邊界條件組成的方程組：

(3)

式中：θ0為肋片根部溫度；H為肋片高度。可得到肋片溫度分布和實際散熱量公式為

(4)

(5)

式中：cosh(x)為雙曲余弦函數(shù)；tanh(x)為雙曲正切函數(shù)。

根據(jù)肋片換熱量(5)式，當散熱器肋片形狀固定時，給散熱器加裝風扇、設(shè)計導(dǎo)流罩和改變肋片夾角等操作，都是改變肋片的對流換熱系數(shù)h，通過改變換熱系數(shù)達到較好的散熱效果。……