传热学课程设计

1、1、 设计目的： 提高发光二极管（LED）灯具的性能，增加它的散热效果2、 设计内容： 依据散热指标，计算了散热面积，建立了LED鳍片式散热 模型，最终利用电脑模拟情况对其进行仿真与研究。3、 设计任务和要求： 为了提高发光二极管（LED）灯具的性能，依据散热指标，计算了散热面积，建立了LED鳍片式散热模型，最终利用软件编程对其进行了仿真与研究。4、 可选器材： 二极管（LED）灯具，计算机5、 参考资料 【1】卢有祥.LED的发展和应用. 【2】杨广华、李玉兰、王彩凤等基于LED照明灯具散热片设计与分析摘要：为了提高发光二极管（LED）灯具的性能，依据散热指标，计算了散热面积，建立了LED鳍

2、片式散热模型，最终利用软件编程对其进行了仿真，研究结果表明：当鳍片间距与鳍片厚度比为3:2，底座厚度与鳍片厚度为1:1时，散热效果最好，随着鳍片数目和鳍片高度的增加，散热效果也有所增强。关键词：发光二极管；灯具；鳍片式；散热发光二极管（LED）照明以其发光效率高、方向性好、能耗小、寿命长、可靠性好、安全环保等优点，无论在装饰性照明还是功能性照明领域都得到了广泛的发展。虽然理论上LED的发光效率很高!但由于没有有效的散热方式!大部分LED芯片的最终发光效率只有10%20%,而其余80%90%的电能则转化成了热。较高的LED运行温度还将使得LED 的寿命快速下降。如果LED芯片的热量不能散出去，会

3、加速芯片的老化，还可能导致焊锡的熔化，使芯片失效。对于单个LED而言，如果热量集中在很小的芯片内而不能有效散出!则会导致芯片温度升高，热应力非均匀分布，芯片发光效率和荧光粉转换效率下降。当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律上升。LED产生的大量热量极大地降低了照明效率，高温还将使LED发光颜色改变。这些都对高亮度LED的热管理提出了挑战!迫切需要良好的散热措施来解决LED的散热问题。散热方式包括被动散热、风冷散热、热管散热等。散热片的种类也很多，如压印散热片、挤型散热片、铸造散热片等。但是，不管形状如何变化!鳍片式的结构依然是研究的基础。复杂形状的散热片可以根据对称性研究其剖截面，鳍片

4、式结构为研究其他形状的散热片提供了参考标准。散热片的大小和厚度，直接影响了有效散热面积与散热的能力。目前!国内外很多专家对散热片都进行了研究，包括研究散热片的包络体积、整体散热面积等。当底座宽度一定时，增加鳍片数目可以增加散热面积，但这会减小鳍片间隔，传热系数也会降低，散热片各个因素是相互制约的，但是目前对LED灯具的散热片各结构（鳍片高度、厚度、间隔等）之间的制约关系并没有详尽研究。本文针对LED灯具的鳍片式散热结构，分析了鳍片高度、鳍片厚度、鳍片间隔、底座厚度之间相互制约时的关系。 1.LED散热面积估算与模型的建立LED散热主要包括3个方面芯片结到外延层；外延层到封装基板；封装基板到外部

5、冷却装置。如图1所示。芯片是发热主体，首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片以固晶方式传递至封装热沉上面，然后热量通过热沉传递至铝基印刷电路板（PCB）上，最终铝基印刷电路板（PCB）与金属制散热器结合，将热量传递至灯具外部，到达空气环境中。 对流散热方程为 Q=hAT （1）式中Q为热量；h为换热系数；A为换热面积；T为温升。在室温（25）时，对于芯片，一般允许的温升为35。自然对流时的典型值为5W/()单颗1W（3.3V，300mA）的LED发热率为80%，由式（1）计算可知&需要散热面积为46。 2. LED鳍片式散热结构 用软件编程LED建立鳍片式散热模型，设定底座中心温度为恒定数值

6、，输入热流，可以直观研究LED散热情况。2.1鳍片间距与鳍片厚度比例的影响 鳍片形状固定时，适当的鳍片间距可以保证有效的对流!鳍片过厚，则鳍片数目减少，表面积减小，会降低表面对流。鳍片过薄鳍片传热到顶端能力变弱，使得散热片即使体积增加也无法增加效率。因而，鳍片的厚度与鳍片间距存在一个最佳比值。仿真得到散热片最低温度随鳍片间距与厚度的比例变化关系如图2所示。从图2可以看出，在鳍片间距与鳍片厚度的比值为1.5时，存在拐点，此时散热效果较好。 图2鳍片间距与厚度比例变化时的最低温度 图3底座厚度与鳍片厚度比例变化时的最低温度2.2底座厚度与鳍片厚度比例的影响 要使得散热片效率增加，散热片底座厚度也有

7、很大的影响，散热片底座必须够厚才能使足够的热能顺利地传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。然而太厚的底座除了浪费材料，也会造成热的累积反而使热传能力降低。仿真得到散热片最低温度随底座厚度与鳍片厚度的比例变化关系如图3所示。从图3可以看出，底座厚度与鳍片厚度的比值为1时，散热片效果最好!2.3鳍片数目的影响 间隔鳍片的壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成壁面的空气层对流!若表面积较大，则需较多鳍片数目，但这样会导致鳍片间隔变窄，自然对流发生概率降低，散热效率减小。仿真得到散热片最低温度随鳍片数目变化关系如图4所示。从图4可以看出，随着鳍片数目的增加，最低温度逐渐降低。 图4鳍片数

8、目变化时的最低温度 图5鳍片高度与厚度比例变化时的最低温度2.4鳍片高度与鳍片厚度比例的影响当鳍片厚度固定时，鳍片越长，表面积越大，换热效果越好。同时这也增大了散热片的体积，使其热容量增加。但是鳍片过长，会减弱鳍片传输热量到顶部的能力&即散热效率降低。因此鳍片长度需保持一定才能产生效果。仿真得到最低温度随鳍片高度与厚度比例变化关系如图5所示!从图5可以看出，随着鳍片高度的增加，散热效果逐渐变好，但是由于到一定程度即可满足散热效果，不必要把鳍片做得过长而增加额外的成本和体积。在实际情况中!鳍片还有一定的倾斜角度，一般为3左右而鳍片表面则也会做一些特殊处理，如涂特殊散热材料或刻一些花纹以增加鳍片的对流和辐射。3 结论本文研究了LED灯具鳍片式散热结构，结果表明：散热效果的好坏与鳍片间距、鳍片厚度、鳍片高度、底座厚度有直接的关系，而各个因素之间都是相互制约的。当鳍片间距与鳍片厚度比为3:2底座厚度