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基于FLOEFD的散熱器翅片間距仿真設(shè)計(jì)

2014-07-24 15:45:19何漢恩
新媒體研究 2014年8期
關(guān)鍵詞:散熱

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等,但大功率LED的散熱也是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。如果LED散熱問(wèn)題解決不好,LED燈具工作一段時(shí)間后就會(huì)輸出光功率減小,芯片加速老化,工作壽命縮短。文章從LED散熱問(wèn)題著手,詳細(xì)介紹了目前廣泛商用的大功率LED器件結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱途徑、所用散熱片的特點(diǎn),以及LED所用的散熱片設(shè)計(jì)和模擬方法。

關(guān)鍵詞 散熱;燈具;LED;FLOEFD;翅片間距

中圖分類(lèi)號(hào):TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)08-0047-02

隨著LED(發(fā)光二極管)的功率、發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率大幅度提高,LED作為新型照明光源在市場(chǎng)中的份額逐漸提高,給現(xiàn)代社會(huì)生活質(zhì)量的提高帶來(lái)了不可估量的影響,正在引發(fā)一場(chǎng)全球照明領(lǐng)域的革命。

但是,LED照明產(chǎn)品的仍有極大的技術(shù)問(wèn)題亟待解決,如LED的散熱問(wèn)題就是其中之一。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)熱量大,并且是溫度敏感器件。LED的溫度升高會(huì)影響其壽命、光效、光色(波長(zhǎng))、色溫、光形(配光)、以及正向電壓、色度和電氣參數(shù)以及壽命等。所以,散熱設(shè)計(jì)是LED照明產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為:熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。通俗的說(shuō),熱傳導(dǎo)是將熱量勻化或傳導(dǎo)到指定位置;熱對(duì)流是將熱源表面的熱量與介質(zhì)(常為空氣、水等)發(fā)生熱交換,結(jié)果使表面的溫度降低;熱輻射是將熱源的熱量通過(guò)波的形式(紫外線、可見(jiàn)光線、紅外線等)發(fā)散到周?chē)目臻g中。

對(duì)流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式:

Q=hAΔt

q=hΔt

其中,Q為對(duì)流傳熱表面(流體流過(guò)或接觸的固體表面,即壁面)的熱流量,單位W;q為對(duì)流傳熱表面的熱流密度,單位W/m?;A為對(duì)流傳熱表面的面積,單位m?;Δt為流體與壁面溫差的絕對(duì)值,單位℃;h為對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),單位W/(m?·K),表征傳熱表面的平均對(duì)流傳熱能力。

2 LED散熱途徑

LED芯片是發(fā)熱主體。首先LED芯片的熱量通過(guò)LED芯片的基片再通過(guò)固晶方式傳遞至封裝熱沉(heat sink)上面,然后熱量通過(guò)熱沉傳遞至鋁基PCB上,最終鋁基PCB與金屬制(一般為鋁)散熱器結(jié)合,將熱量傳遞至燈具外部,到達(dá)空氣環(huán)境中。一般LED芯片的熱量最終到達(dá)空氣中需要經(jīng)過(guò)如下各層材料

傳導(dǎo)。

3 模擬的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和條件

產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由LED、鋁基板、導(dǎo)熱硅膠墊和散熱器組成,具體尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1,散熱器翅片間距A為可變,基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

LED:OSRAM OSLON,10PCS,總功率25 W(3.15V×0.8A×10PCS),發(fā)熱功率為21.3 W(25 W×0.8);

鋁基板,基材為鋁,導(dǎo)熱率為200 W/m·K;

導(dǎo)熱硅膠墊,厚度0.3mm,導(dǎo)熱率為5W/m·K;

散熱器,材料為AL6063-T5,導(dǎo)熱率為202 W/m·K;

LED間距B:25 mm×25 mm。

圖1 散熱模組結(jié)構(gòu)圖

4 仿真軟件和仿真設(shè)計(jì)條件

FloEFD是新一代流體動(dòng)力學(xué)分析的革命性工具,全球唯一完全嵌入三維機(jī)械CAD 環(huán)境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件,真正實(shí)現(xiàn)了仿真分析流程與設(shè)計(jì)流程的無(wú)縫結(jié)合,成為從事于流動(dòng)、換熱相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)工程師的高效工具。計(jì)算3D模型如圖2,模擬參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。

表1

項(xiàng)目 參數(shù)

計(jì)算區(qū)域 550(X)mm×300mm(Y)×210mm(Z)

環(huán)境溫度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大氣壓 1.01 MPa

LED發(fā)熱功率 21.3 W

散熱器輻射率 0.3

散熱器翅片間距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

計(jì)算網(wǎng)格 34,174

圖2 仿真模型及計(jì)算域示意圖

5 不同間距的結(jié)果對(duì)比分析

散熱器翅片間距為10 mm的模擬結(jié)果如圖3。

圖3 工作溫度分布圖

6 結(jié)論

1)散熱器翅片間距越小,散熱器溫差越低;散熱器翅片間距越大,散熱器溫差越高。

2)散熱器底板厚度對(duì)散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響,太薄熱容量太小,太厚熱阻反而增加,底板厚度的最一般為3 mm-6 mm為最佳,本文取5 mm。

3)自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱,在散熱翅片表面增加波紋不會(huì)對(duì)自然對(duì)流效果產(chǎn)生太大的影響,所以建議散熱翅片表面不加波紋齒。

4)如果翅片間距太小,兩個(gè)翅片的熱邊界層易交叉,影響翅片表面的熱對(duì)流,根據(jù)本文的模擬,一般建議大于6 mm;如果散熱器翅片高低于10 mm,可按翅片間距≥1.2倍翅片高來(lái)確定散熱器的翅片間距。

5)自然對(duì)流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理,以增大散熱表面的輻射系數(shù),強(qiáng)化輻射換熱。

參考文獻(xiàn)

[1]毛興武,等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2008.

[2]趙阿玲,等.大功率白光LED壽命試驗(yàn)及失效分析[M].照明工程學(xué)報(bào),2010.

[3]王靜,吳福根.改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問(wèn)題[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009(4).

[4]陳才佳,李少鵬.LED封裝歷程[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備.2013(216):1-4.

[5]過(guò)增元.國(guó)際傳熱學(xué)研究前沿—微尺度傳熱[J].力學(xué)進(jìn)展,2000,30(1):1-6.

[6]魯祥友,程遠(yuǎn)霞.用于大功率LED冷卻的熱管散熱器的實(shí)驗(yàn)研究[J].半導(dǎo)體光電,2008,29(05):651.

[7]陶漢中,張紅,莊駿.高速芯片模塊熱管散熱器的數(shù)值傳熱分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,1(26):68-71.

[8] Kim L.,Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference,2006,1076-1081.

作者簡(jiǎn)介

何漢恩(1983-),男,廣東番禺人,研究領(lǐng)域:LED及LED照明燈具,汽車(chē)照明。endprint

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等,但大功率LED的散熱也是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。如果LED散熱問(wèn)題解決不好,LED燈具工作一段時(shí)間后就會(huì)輸出光功率減小,芯片加速老化,工作壽命縮短。文章從LED散熱問(wèn)題著手,詳細(xì)介紹了目前廣泛商用的大功率LED器件結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱途徑、所用散熱片的特點(diǎn),以及LED所用的散熱片設(shè)計(jì)和模擬方法。

關(guān)鍵詞 散熱;燈具;LED;FLOEFD;翅片間距

中圖分類(lèi)號(hào):TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)08-0047-02

隨著LED(發(fā)光二極管)的功率、發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率大幅度提高,LED作為新型照明光源在市場(chǎng)中的份額逐漸提高,給現(xiàn)代社會(huì)生活質(zhì)量的提高帶來(lái)了不可估量的影響,正在引發(fā)一場(chǎng)全球照明領(lǐng)域的革命。

但是,LED照明產(chǎn)品的仍有極大的技術(shù)問(wèn)題亟待解決,如LED的散熱問(wèn)題就是其中之一。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)熱量大,并且是溫度敏感器件。LED的溫度升高會(huì)影響其壽命、光效、光色(波長(zhǎng))、色溫、光形(配光)、以及正向電壓、色度和電氣參數(shù)以及壽命等。所以,散熱設(shè)計(jì)是LED照明產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為:熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。通俗的說(shuō),熱傳導(dǎo)是將熱量勻化或傳導(dǎo)到指定位置;熱對(duì)流是將熱源表面的熱量與介質(zhì)(常為空氣、水等)發(fā)生熱交換,結(jié)果使表面的溫度降低;熱輻射是將熱源的熱量通過(guò)波的形式(紫外線、可見(jiàn)光線、紅外線等)發(fā)散到周?chē)目臻g中。

對(duì)流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式:

Q=hAΔt

q=hΔt

其中,Q為對(duì)流傳熱表面(流體流過(guò)或接觸的固體表面,即壁面)的熱流量,單位W;q為對(duì)流傳熱表面的熱流密度,單位W/m?;A為對(duì)流傳熱表面的面積,單位m?;Δt為流體與壁面溫差的絕對(duì)值,單位℃;h為對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),單位W/(m?·K),表征傳熱表面的平均對(duì)流傳熱能力。

2 LED散熱途徑

LED芯片是發(fā)熱主體。首先LED芯片的熱量通過(guò)LED芯片的基片再通過(guò)固晶方式傳遞至封裝熱沉(heat sink)上面,然后熱量通過(guò)熱沉傳遞至鋁基PCB上,最終鋁基PCB與金屬制(一般為鋁)散熱器結(jié)合,將熱量傳遞至燈具外部,到達(dá)空氣環(huán)境中。一般LED芯片的熱量最終到達(dá)空氣中需要經(jīng)過(guò)如下各層材料

傳導(dǎo)。

3 模擬的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和條件

產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由LED、鋁基板、導(dǎo)熱硅膠墊和散熱器組成,具體尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1,散熱器翅片間距A為可變,基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

LED:OSRAM OSLON,10PCS,總功率25 W(3.15V×0.8A×10PCS),發(fā)熱功率為21.3 W(25 W×0.8);

鋁基板,基材為鋁,導(dǎo)熱率為200 W/m·K;

導(dǎo)熱硅膠墊,厚度0.3mm,導(dǎo)熱率為5W/m·K;

散熱器,材料為AL6063-T5,導(dǎo)熱率為202 W/m·K;

LED間距B:25 mm×25 mm。

圖1 散熱模組結(jié)構(gòu)圖

4 仿真軟件和仿真設(shè)計(jì)條件

FloEFD是新一代流體動(dòng)力學(xué)分析的革命性工具,全球唯一完全嵌入三維機(jī)械CAD 環(huán)境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件,真正實(shí)現(xiàn)了仿真分析流程與設(shè)計(jì)流程的無(wú)縫結(jié)合,成為從事于流動(dòng)、換熱相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)工程師的高效工具。計(jì)算3D模型如圖2,模擬參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。

表1

項(xiàng)目 參數(shù)

計(jì)算區(qū)域 550(X)mm×300mm(Y)×210mm(Z)

環(huán)境溫度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大氣壓 1.01 MPa

LED發(fā)熱功率 21.3 W

散熱器輻射率 0.3

散熱器翅片間距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

計(jì)算網(wǎng)格 34,174

圖2 仿真模型及計(jì)算域示意圖

5 不同間距的結(jié)果對(duì)比分析

散熱器翅片間距為10 mm的模擬結(jié)果如圖3。

圖3 工作溫度分布圖

6 結(jié)論

1)散熱器翅片間距越小,散熱器溫差越低;散熱器翅片間距越大,散熱器溫差越高。

2)散熱器底板厚度對(duì)散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響,太薄熱容量太小,太厚熱阻反而增加,底板厚度的最一般為3 mm-6 mm為最佳,本文取5 mm。

3)自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱,在散熱翅片表面增加波紋不會(huì)對(duì)自然對(duì)流效果產(chǎn)生太大的影響,所以建議散熱翅片表面不加波紋齒。

4)如果翅片間距太小,兩個(gè)翅片的熱邊界層易交叉,影響翅片表面的熱對(duì)流,根據(jù)本文的模擬,一般建議大于6 mm;如果散熱器翅片高低于10 mm,可按翅片間距≥1.2倍翅片高來(lái)確定散熱器的翅片間距。

5)自然對(duì)流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理,以增大散熱表面的輻射系數(shù),強(qiáng)化輻射換熱。

參考文獻(xiàn)

[1]毛興武,等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2008.

[2]趙阿玲,等.大功率白光LED壽命試驗(yàn)及失效分析[M].照明工程學(xué)報(bào),2010.

[3]王靜,吳福根.改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問(wèn)題[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009(4).

[4]陳才佳,李少鵬.LED封裝歷程[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備.2013(216):1-4.

[5]過(guò)增元.國(guó)際傳熱學(xué)研究前沿—微尺度傳熱[J].力學(xué)進(jìn)展,2000,30(1):1-6.

[6]魯祥友,程遠(yuǎn)霞.用于大功率LED冷卻的熱管散熱器的實(shí)驗(yàn)研究[J].半導(dǎo)體光電,2008,29(05):651.

[7]陶漢中,張紅,莊駿.高速芯片模塊熱管散熱器的數(shù)值傳熱分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,1(26):68-71.

[8] Kim L.,Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference,2006,1076-1081.

作者簡(jiǎn)介

何漢恩(1983-),男,廣東番禺人,研究領(lǐng)域:LED及LED照明燈具,汽車(chē)照明。endprint

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等,但大功率LED的散熱也是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。如果LED散熱問(wèn)題解決不好,LED燈具工作一段時(shí)間后就會(huì)輸出光功率減小,芯片加速老化,工作壽命縮短。文章從LED散熱問(wèn)題著手,詳細(xì)介紹了目前廣泛商用的大功率LED器件結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱途徑、所用散熱片的特點(diǎn),以及LED所用的散熱片設(shè)計(jì)和模擬方法。

關(guān)鍵詞 散熱;燈具;LED;FLOEFD;翅片間距

中圖分類(lèi)號(hào):TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)08-0047-02

隨著LED(發(fā)光二極管)的功率、發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率大幅度提高,LED作為新型照明光源在市場(chǎng)中的份額逐漸提高,給現(xiàn)代社會(huì)生活質(zhì)量的提高帶來(lái)了不可估量的影響,正在引發(fā)一場(chǎng)全球照明領(lǐng)域的革命。

但是,LED照明產(chǎn)品的仍有極大的技術(shù)問(wèn)題亟待解決,如LED的散熱問(wèn)題就是其中之一。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)熱量大,并且是溫度敏感器件。LED的溫度升高會(huì)影響其壽命、光效、光色(波長(zhǎng))、色溫、光形(配光)、以及正向電壓、色度和電氣參數(shù)以及壽命等。所以,散熱設(shè)計(jì)是LED照明產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為:熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。通俗的說(shuō),熱傳導(dǎo)是將熱量勻化或傳導(dǎo)到指定位置;熱對(duì)流是將熱源表面的熱量與介質(zhì)(常為空氣、水等)發(fā)生熱交換,結(jié)果使表面的溫度降低;熱輻射是將熱源的熱量通過(guò)波的形式(紫外線、可見(jiàn)光線、紅外線等)發(fā)散到周?chē)目臻g中。

對(duì)流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式:

Q=hAΔt

q=hΔt

其中,Q為對(duì)流傳熱表面(流體流過(guò)或接觸的固體表面,即壁面)的熱流量,單位W;q為對(duì)流傳熱表面的熱流密度,單位W/m?;A為對(duì)流傳熱表面的面積,單位m?;Δt為流體與壁面溫差的絕對(duì)值,單位℃;h為對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),單位W/(m?·K),表征傳熱表面的平均對(duì)流傳熱能力。

2 LED散熱途徑

LED芯片是發(fā)熱主體。首先LED芯片的熱量通過(guò)LED芯片的基片再通過(guò)固晶方式傳遞至封裝熱沉(heat sink)上面,然后熱量通過(guò)熱沉傳遞至鋁基PCB上,最終鋁基PCB與金屬制(一般為鋁)散熱器結(jié)合,將熱量傳遞至燈具外部,到達(dá)空氣環(huán)境中。一般LED芯片的熱量最終到達(dá)空氣中需要經(jīng)過(guò)如下各層材料

傳導(dǎo)。

3 模擬的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和條件

產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由LED、鋁基板、導(dǎo)熱硅膠墊和散熱器組成,具體尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1,散熱器翅片間距A為可變,基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

LED:OSRAM OSLON,10PCS,總功率25 W(3.15V×0.8A×10PCS),發(fā)熱功率為21.3 W(25 W×0.8);

鋁基板,基材為鋁,導(dǎo)熱率為200 W/m·K;

導(dǎo)熱硅膠墊,厚度0.3mm,導(dǎo)熱率為5W/m·K;

散熱器,材料為AL6063-T5,導(dǎo)熱率為202 W/m·K;

LED間距B:25 mm×25 mm。

圖1 散熱模組結(jié)構(gòu)圖

4 仿真軟件和仿真設(shè)計(jì)條件

FloEFD是新一代流體動(dòng)力學(xué)分析的革命性工具,全球唯一完全嵌入三維機(jī)械CAD 環(huán)境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件,真正實(shí)現(xiàn)了仿真分析流程與設(shè)計(jì)流程的無(wú)縫結(jié)合,成為從事于流動(dòng)、換熱相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)工程師的高效工具。計(jì)算3D模型如圖2,模擬參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。

表1

項(xiàng)目 參數(shù)

計(jì)算區(qū)域 550(X)mm×300mm(Y)×210mm(Z)

環(huán)境溫度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大氣壓 1.01 MPa

LED發(fā)熱功率 21.3 W

散熱器輻射率 0.3

散熱器翅片間距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

計(jì)算網(wǎng)格 34,174

圖2 仿真模型及計(jì)算域示意圖

5 不同間距的結(jié)果對(duì)比分析

散熱器翅片間距為10 mm的模擬結(jié)果如圖3。

圖3 工作溫度分布圖

6 結(jié)論

1)散熱器翅片間距越小,散熱器溫差越低;散熱器翅片間距越大,散熱器溫差越高。

2)散熱器底板厚度對(duì)散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響,太薄熱容量太小,太厚熱阻反而增加,底板厚度的最一般為3 mm-6 mm為最佳,本文取5 mm。

3)自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱,在散熱翅片表面增加波紋不會(huì)對(duì)自然對(duì)流效果產(chǎn)生太大的影響,所以建議散熱翅片表面不加波紋齒。

4)如果翅片間距太小,兩個(gè)翅片的熱邊界層易交叉,影響翅片表面的熱對(duì)流,根據(jù)本文的模擬,一般建議大于6 mm;如果散熱器翅片高低于10 mm,可按翅片間距≥1.2倍翅片高來(lái)確定散熱器的翅片間距。

5)自然對(duì)流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理,以增大散熱表面的輻射系數(shù),強(qiáng)化輻射換熱。

參考文獻(xiàn)

[1]毛興武,等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2008.

[2]趙阿玲,等.大功率白光LED壽命試驗(yàn)及失效分析[M].照明工程學(xué)報(bào),2010.

[3]王靜,吳福根.改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問(wèn)題[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009(4).

[4]陳才佳,李少鵬.LED封裝歷程[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備.2013(216):1-4.

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作者簡(jiǎn)介

何漢恩(1983-),男,廣東番禺人,研究領(lǐng)域:LED及LED照明燈具,汽車(chē)照明。endprint

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