大功率LED热管散热器的热设计研究

时间:2017-5-12 9:50:00 来源:中国散热器网 添加人:admin

  随着能源与环境危机的加重,节能环保问题越来越受到关注。发光二极管(LED)是一种节能环保的新型绿色光源,相对于传统照明方式,LED可节约电50%70%、节约线缆费用70%、且不需要维护费用,总节约费用高达70%.国际上对LED开展了广泛研究和推广应用。日本的21世纪“光计划”,规划采用LE:D照明取代50%的传统照明;美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”;欧盟在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”;我国将半导体照明器件产业化列为部于2003年6月份首次提出发展半导体照明计划,2009年科技部提出“千城万盏”LED的目标。

  21年我国照明用电量达到3000亿千瓦时,如果三分之一的照明市场采用LED照明,即年节电至少1000亿千瓦时,比三峡电站年总发电量847亿千瓦时的一倍还多。

  LED是个光电器件,理论寿命可达100000小时,工作过程中约15%的电能转换成光能,其余电能几乎都转换成热能,若不加散热措施,LED芯片结温会急速上升,导致出光率和寿命急剧降低,特别是当结温上升超过最大允许温度(一般<125°C)时,LED会因过热而损坏。国内外从提高散热器散热性能人手,对大功率LED的散热问题展开了系统深入的研究,国内散热器研究处于国际领先水平。系统分析了热阻U;对传统压铸铝合金散热器结构进行优化。出现了内外双置散热器、中空基座配合螺旋翅片散热器、立柱形散热器、曲面蜂窝通孔结构散热器以及对翅片结构进行仿真优化研究>9;研究了喷射制冷、半导体制冷等有源散热器开发出了多种形式热管翅片散热器,如圆盘形、双管双层形、对称双层形以及管壳一体形等散热器,同时也采用计算流体动力学对热管与翅片的相对位置对散热性能的影响进行仿真研究1214.然而,进行结构优化后的铸造铝合金散热器虽然提高了比表面积,但由于铝合金导热系数较低而无法满足大功率LED的散热需求;有源散热器由于增加了电能消耗、降低了系统可靠性而无法实现LED节能的目的;热管翅片散热器利用相变传热原理是解决大功率LED散热的最佳途径,但目前研究的热管翅片散热器由于散热面积和结构上存在的诸多问题而不能同时有效利用自然风和垂直对流。不能满足大功率LED的散热需求,散热问题仍旧是制约大功率LED应用的瓶颈问题。

  本文通过对一种新型热管翅片散热器进行结构建模,采用Icepak软件进行散热性能分析,旨在解决制约大功率LED应用的散热瓶颈问题。

  2新型热管翅片散热器的结构建模是本新型热管翅片散热器的结构模型。

  新型热管翅片散热器结构模型散热器由铝质的固定基座、连接在固定基座上的热管和连接在热管上的长方形翅片组成,热管蒸发端安装在固定基座上,热管蒸发端外圆周切线与固定基座平面在同一水平面上,即,大功率LED芯片背板与热管直接接触,翅片与热管采用钎焊或铆接连接,大功率LED芯片安装在固定基座上。热管冷凝端为直形且与固定基座呈45°角,利用重力作用增加工质回流动力,同时增加翅片的迎风面积,翅片之间均匀相隔,翅片平面与固定基座垂直,能够有效利用地面的垂直对流,四组翅片间隔90°均匀分布,能够有效利用各个方向的自然风。结构模型中:LED芯片产生热量的功率为100W,芯片光源模组尺寸为25mmX25mm,芯片背板尺寸为40mmX40mmX1mm且其导热率为216W/m.K,固定基座尺寸为60mmX60mmX30mm且其导热率为216W/m.K,热管冷凝端与固定基座平面呈45°角,翅片尺寸为90mmX50mmX 1mm,共4X25片(翅片尺寸也可呈从内至外逐渐减小的梯度变化从而形成“塔形”结构),翅片间距5mm,总散热面积为0. 9m2,环境温度为25°C.大功率LED芯片内热阻、导热胶热阻分别为:。

  0025°C/W.采用Ice-pak软件对建立的结构模型进行散热仿真分析,研究热管导热系数、自然风风速、热管直径、翅片导热系数和翅片表面发射率对芯片结温的影响。

  3热设计结果与讨论1热管导热系数与自然风风速对芯片结温的影响给出热管导热系数为30直径为10mm时,自然对流条件下与自然风风速为2m/s条件下的LED芯片与散热器温度分布云图。给出热管导热系数为220W/mK时,自然对流条件下与自然风风速为2m/S条件下的LED芯片与散热器温度分布云阁。表1给出内然对流条件下热管(直径为1mm)导热系数对LED芯片结温的影响关系。表2给出当热管导热系数为30000W/m.K、直径为10mm时,风速对LED芯片结温的影响关系。由、以及表1可以看出热管导热系数对系统温度分布以及芯片结温有显著影响。热管导热系数越高,能够将LED芯片产生的热量越快的由蒸发端传导至冷凝端,这使得系统温度分布越均匀、温差越小,LED芯片结温越低。由、以及表2可以看出自然风风速对系统温度分布以及芯片结温有显著影响。随着风速的增加,翅片表面与空气的对流换热系数增加,翅片能够将传导至热管冷凝端的热量快速的耗散掉,这使得系统温度分布越均匀、温差越小,LED芯片结温越低。当风速为7m/s时,LED芯片结温已经降至非常低的40. 83°C,风速的再增加使LED芯片结温降低不显著(a)自然厉'(b)风速为2m/s热管导热系数为30直径为10mm时LED芯片与散热器的温度分布云图(a)自然对流(b)风速为2m/s热管导热系数为220直径为10mm时LED芯片与散热器的温度分布云图表1热管导热系数与I上I)芯片结温的关系执管导执系数AW/m LEI)芯片结温/t表2自然风风速与UED芯片结温的关系自然风LED芯片结温/t 3.2热管直径对芯片结温的影响径为40mm时的LED芯片勺散热器温度分布云图。

  热管导热系数为10直径为40mm时LEI)芯片与散热器的温度分布云图热管直径对芯片结温的影响关系。

  表3热管直径对芯片结温的影响由和表3可以看出,热管直径对系统温度分布以及芯片结温有显著影响。LED芯片尺寸为25mmX25mm,热量集中产生于此范围,随着热管直径的逐渐增加。芯片背板与热管之间的传导热阻以及散热器的热阻逐渐降低,热量被越快的传导出,因此,系统温度分布越均匀、温差越小。芯片结温越低。当热管直径大于芯片尺寸时,由于热量大小、产生范围的限制以及由于热管导热系数足够高,LED芯片产生的热量能够被足够快的传导出,热管直径的进一步增加不能再显著降低芯片结温。

  3.3翅片导热系数对芯片结温的影响径为10mm以及翅片导热系数为10000W/m.K时的LED芯片与散热器温度分布云图。

  热管导热系数为10直径为10mm以及翅片导热系数为10000W/mK时LED芯片与散热器的温度分布云图径为10mm时,翅片导热系数对芯片结温的影响关系。

  表4翅片导热系数对芯片结温的影响翅片导热LED芯片结温/°c由和表4可以看出,翅片导热系数对系统温度分布以及芯片结温无显著影响。由于热管的等温特性以及由于翅片的散热面积非常大,当翅片导热系数为220W/mK时,翅片组热阻也仅为0.2°C/W,因此,当翅片导热系数增加一个数量级时,翅片组热阻仅由。2°C/W降低至0.02°C/ W,翅片组热阻变化很小。因此,在翅片表面与空气的对流换热系数不变的条件下,翅片导热系数对芯片结温无显著影响。

  3.4翅片表面辐射率对芯片结温的影响表5给出不同翅片表面辐射率下的芯片结温。

  由表5可见,翅片表面辐射率对芯片结温无显著影响。辐射散热与温度的四次方成正比,但由于翅片温度比环境温度仅高出约15°C‘,辐射散热不显著,因此,翅片表面辐射率对芯片结温无显著影响。

  表5翅片表面辐射率对芯片结温的影响表面辐射率芯片结温4结论采用Icepak软件对一种能够有效利用自然风和垂直对流的大功率LED热管翅片散热器进行热设计研究,结果表明热管导热系数、直径以及自然风风速对芯片结温有显著影响,芯片结温随热管导热系数、直径以及自然风风速的增加而降低,翅片导热系数和表面辐射率对芯片结温无显著影响,Icepak软件仿真分析结果可靠,为大功率LED热管翅片散热器的产业化提供了依据。

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