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                    鋁型材散熱器產品資訊

                    電子散熱器在led路燈上的應用與發展

                    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亮化照明產品開始在不斷的普及與推廣,但是隨之而來的也是led路燈電子散熱器的結構設計與安裝使用問題,下面一起來簡單的看下led路燈電子散熱器的相關設計和研究信息吧!

                    1 led電子散熱器問題的提出與產生

                    LED作為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,那么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]。因此為了保證LED路燈能夠在正常溫度下工作,必須使產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。

                    很多學者都對電子散熱器進行了研究。Hung-YiLi,Shung-MingChao[6]研究了交錯流中板翅式電子散熱器的性能,考慮了冷卻空氣的雷諾數,翅片高度和寬度對散熱器熱阻和壓降的影響。Dong-KwonKim[7]等人研究了在垂直流體流動方向上翅片厚度的變化對電子散熱器散熱性能的影響,表明在沿著垂直流體流動方向上逐漸增加翅片厚度可以減少電子散熱器的熱阻。

                    研究中針對一款實際使用的電子散熱器進行了優化分析,應用ANSYS有限元軟件并且結合正交設計法對這款分布式200WLED路燈的電子散熱器進行結構參數的優化,如圖1所示。大功率LED路燈的正常使用溫度是65℃以下,因此本文優化的主要目的是保證LED路燈在正常溫度下工作,并且在此基礎上使散熱器的質量更輕。


                    圖1 分布式LED路燈

                    2 電子散熱器分析模型

                    2.1 傳熱基本形式

                    自然界的熱傳遞有3種基本的方式:熱傳導、熱對流和熱輻射。在LED散熱系統里,這3種熱傳遞方式都存在。出于可靠性和成本的考慮路燈散熱器一般采用自然對流散熱形式。因此LED電子散熱器的分析模型可以簡化成不考慮熱對流和熱輻射的熱傳導傳熱模型。這樣在不考慮熱對流和熱輻射的情況下能夠滿足散熱,那么在實際情況下它一定是符合散熱要求的。

                    對流換熱的熱流量可以用牛頓冷卻公式表示


                    式中A為散熱面積,h為對流換熱的表面傳熱系數,Δt為溫差,并規定溫差始終為正值[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 散熱器模型的建立

                    電子散熱器結構如圖2所示,其總體尺寸為300mm×600mm×110mm,它具有空間對稱結構,因此溫度場模擬時只取其1/2進行分析。散熱器的基板呈弧狀,基板上形成6×20的LED陣列(圖中從左至右依次為1W、3W、1W、1W、3W、W1陣列);其共有5對翅片,翅片的左下緣在圓柱面上;中間的2個圓柱孔起支撐作用,頂上的弧形結構起輔助作用。與傳統的散熱器相比較,該散熱器具有以下2個方面的優點:①散熱器的翅片呈水平,灰塵和污垢不容易在翅片上堆積,還能夠防雨,這樣可以保證散熱器的散熱效果。而傳統的電子散熱器其翅片是豎直的,灰塵和污垢很容易在翅片上堆積,影響電子散熱器的散熱效果。②散熱器的翅片呈水平,充分地利用了空氣動力學,空氣的浮力能夠降低路燈對其燈桿的彎曲扭矩。這樣可以保證LED路燈的安全性能。

                    對與空氣接觸的散熱器外表面均設為自然對流,對流傳熱系數為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,可以定義為絕熱。由于燈罩的密封作用,剩下的散熱器表面也定義為絕熱。散熱器的材料為鋁合金104,其導熱系數為147W/(m2·K)。環境溫度設置為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熱源簡化為點熱源。散熱器的有限元模型如圖3所示。


                    3 散熱器結構參數的優化設計及結果分析

                    3.1正交試驗設計

                    正交試驗設計法是一種高效率、快速、經濟的設計方法。文中研究電子散熱器不同的結構參數對其溫度場的影響,為了縮小運算規模,設計了正交試驗對電子散熱器結構進行多次的熱分析。試驗選取翅片厚度、翅片間距、翅片外輪廓半徑以及基板厚度作為設計變量,并把散熱器的最高溫度和散熱器的質量作為試驗的指標??紤]到散熱器的模具設計以及整個LED路燈結構大小的限制,確定各個設計變量的取值范圍:翅片厚度2~4mm,翅片間距6~8mm,翅片外輪廓半徑176~180mm,基板厚度5~9mm。每個變量取3個水平,因此該試驗為4因子3水平試驗,可選用L9(34)正交表。因子和水平設置表如表1所示。

                    表1 因素和水平設置表


                    3.2試驗結果分析

                    試驗結果如表2所示。

                    表2 試驗結果表


                    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。

                    在模擬的范圍內,通過表3~表6各個因素對試驗指標的極差,可以知道散熱器各結構參數對其質量和散熱性能的影響大小情況。各因素對電子散熱器質量影響的主次順序為:翅片厚度、基板厚度、翅片外輪廓半徑和翅片間距;各因素對散熱器最高溫度影響的主次順序為:翅片間距、翅片厚度、翅片外輪廓半徑和基板厚度。

                    通過表3-表6各個因素不同水平下試驗指標的平均值,可以確定各因素的優化水平組合。對于散熱器質量這個試驗指標,其最優化水平組合為:A1 B3 C1 D1;對于散熱器最高溫度這個試驗指標,其最優化水平組合為:A1 B1 C3 D1。

                    表3 翅片厚度對試驗指標的極差分析表


                    表4 翅片間距對試驗指標的極差分析表


                    表5 翅片外輪廓半徑對試驗指標的極差分析表


                    表6 基板厚度對試驗指標的極差分析表


                    以上2個指標單獨分析出的優化水平組合不完全一樣,對于因素A和D,毫無疑問,取A1和D1;對于因素B,其對散熱器最高溫度的影響排在第1位,對散熱器質量的影響排在最后,因此B因素取B1;對于因素C,其對散熱器質量和最高溫度的影響次序是一樣的,但是當C因素取C1時,散熱器質量比取C3時降低了3.1%,而散熱器最高溫度升高了1.2%,故C因素取C1。綜上所述,各因素的最優水平組合為A1 B1 C1 D1,也就是表2中的第1號模型結構。圖4所示為A3 B2 C1 D3組合的散熱器溫度場分布圖,其他組合的分析類似。


                    圖4 A3 B2 C1 D3組合的溫度場分布/K

                    4 結論和展望

                    通過ANSYS有限元熱分析并結合正交試驗法,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。

                    有關led路燈散熱的電子散熱器的相關研究基本上就算這樣了,如果大家還有其他需要了解的,歡迎來電聯系我們,我們將竭誠為大家服務。

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