梳状散热器结构和角度对大功率LED结温的影响

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent模拟了梳状肋片散热器的大功率LED灯的温度场分布。从散热器肋片高度、肋片间距以及灯具的照射角度三方面分析了散热器的散热效果。通过对比分析不同散热器的速度流场与温度场分布,得知当肋片高度为10mm、间距为4.1mm时散热器散热效果最佳。灯具的照射角度也会影响到散热器的散热性能,当照射角为90°时散热器性能最佳。     

LED板状肋片散热器性能的方向效应

为考察装配板状肋片散热器的多角度照射型LED灯的自然对流散热性能的方向效应，以一款LED投光灯的关键散热结构为研究对象，采用实验测量法验证数值模拟的计算精度，并将数值模拟的温度和流体数据用于分析3种驱动电流和7个出光倾角下最大温升和温度均匀性的散热机制。结果表明：不同倾角下的散热器肋间风道内的流速分布的较大差异，是导致最大温升和温度均匀性变化的根本原因；最高温度点的上、下游流速的差值可用于定量解释温度均匀性的变化规律。不同倾角下肋片间距对最大温升的影响趋势表明：最佳间距附近的散热器性能对倾角的敏感度最高，散热能力的方向效应不容忽视。     

发光二极管灯具鳍片式散热结构

为了提高发光二极管（LED）灯具的性能,依据LED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ANSYS软件对其进行了仿真。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。     

热电制冷LED自然对流散热的设计与优化

为提升高热流密度下LED灯具的自然对流散热性能,以一款基于热电制冷（TEC）的单颗LED小型灯具模组为研究对象,在采用实验测量和回归拟合准确获得TEC性能参数的基础上,建立了有无TEC参与散热的等效热路模型,并选择合理的数学公式对其进行性能描述,进而遵循本文设计的计算流程快速得到各种散热性能数据。LED模组的散热分析表明：在恒定的LED热功率下,施加最佳的TEC电流可获得最高的散热性能;LED热功率越低,安装TEC的散热性能越比常规方法优异。经遗传算法优化前后的性能对比分析表明：优化后结构中TEC的合理工作区明显增大,能满足LED更高功率的散热需求;当LED为0.493 W时,优化后结构的最佳结温仅为15.66℃,远低于30℃的环境温度。基于TEC实验数据建立的等效热路模型,能为装配TEC的LED模组提供快速完整的散热设计分析与结构优化的合理方案。     

加装导流罩的大功率LED强化换热特性研究

针对大功率LED光源存在的散热问题,在风冷散热条件下,对加装导流罩的大功率LED散热器进行优化设计。在肋片结构参数固定的条件下,利用流体分析软件对导流罩的内径、高度、进气口直径以及散热器肋片夹角进行优化。通过改变这些参数来改变散热片表面气体流体的流形、风速等值,最终改变肋片表面对流换热系数。获得的导流罩和肋片夹角参数:导流罩高度85 mm,进气口直径76 mm,出气口直径83 mm,散热器肋片夹角9。通过优化使散热器温度有一定程度的降低,为大功率LED灯具散热设计提供了一种优化方案。     

肋片板式蒸发冷凝器传热性能及优化研究

提出一种肋片板式蒸发冷凝器,主要研究肋片间距和肋片高度对工质强化传热和阻力性能的影响。计算与优化结果表明:肋片高度从12 mm增大到20 mm时,出口温度降低8.98 K,压降却增大三倍;肋片间距从40 mm增大到7 mm,温度下降1 K左右,压降减小27 Pa。应用多目标遗传算法,将"出口温度低,压降小"作为优化目标函数,研究肋片板式蒸发冷凝器的结构优化,得到优化结果的Pareto front分布,同时得到肋片间距和肋片高度分别为69.275 mm和15.71 mm,为板式蒸发冷凝器的改进和发展提供一定的指导意义。     

夏季温室环境下植物生长用LED灯具散热结构的温度分布模型构建与验证

以热传导流入肋片热量与通过空气与肋片间的对流所散出的热量及湿空气凝结所需热量之和相等作为条件,构建了可以实际反映温室环境影响下的植物生长用LED灯具散热结构的温度分布模型。通过实验结合仿真模拟,实现对温室环境的物理仿真模型的建立,并以模型得到了灯具处于最为恶劣的工况下的空气物理参数。结合具体的空气物理参数以及所构建的数学模型,计算出了悬挂在温室中部2.5 m高度处的150W植物生长用LED灯具在最为恶劣的工况下的散热结构关键节点的温度数值,并运用红外热像仪,对关键温度节点进行了收集。数据表明,计算值与实验值及仿真值的数值误差均不超过5%,验证了模型的正确性,对具体的植物生长用LED灯具的散热结构的设计具有积极的指导作用。     

基于导热塑料的新型LED灯散热器设计与优化

以某中等功率LED灯具为例,设计了塑料散热器的基本构型。采用数值仿真的办法对散热器的性能进行分析,并根据分析结果进行结构改进与优化。结果表明,在同样构型下塑料散热器散热性能低于铝合金散热器;与传统铝合金散热器不同,当肋片高度达到30 mm后,塑料散热器的散热能力趋于稳定;虽然导热塑料的红外发射率较高,仿真分析表明通过热辐射散出的热能只占总热很小的一部分,所以塑料散热器的设计应以增加对流换热面积为主,增加肋片与环境的视角系数是次要考虑因素。改进优化后的塑料散热器达到了和铝合金散热器相近的散热性能,总质量较铝合金散热器减轻了30%,验证了塑料散热器在降低产品重量方面的优越性。     

基于热场分析的LED日间行车灯优化设计

针对LED日间行车灯的设计需求,提出通过热场仿真分析实现其热性能优化设计的方法。首先,根据LED日间行车灯的结构建立其有限元仿真模型,通过实验观测LED日间行车灯工作中的温度分布情况,并以实验观测结果验证仿真模型的有效性;然后,基于以上模型仿真分析日间行车灯的灯珠间距、铝基板厚度与LED灯珠结温之间的关系;以上述关系为约束条件,结合生产成本,得出在LED灯珠一定的情况下,灯珠间距为37 mm、铝基板厚度为1 mm的最优化设计方案,使LED日间行车灯能够可靠工作且成本更低。     

循环风冷却式电抗器散热结构优化与分析

基于某密闭式大型电力电子设备中电抗器的散热需求,采用了蒸发冷却式的循环风冷散热系统;同时为电抗器设计了一种散热结构,用于提高电抗器的散热性能;并运用计算流体力学软件Ansys/icepak,对该结构进行了仿真优化;分析了循环风量以及该散热结构中的散热器通道宽度,导热片的数量、厚度、排列规律对电抗器散热性能的影响。研究结果表明,在散热器通道宽度为5mm、循环风量为800m3/h,采用不等间距的方式排列5块5mm的铜导热片时,该结构散热条件最佳;电抗器温升可以得到有效的控制,且温度分布均匀,满足系统的使用要求;同时也为该类电抗器的热设计提供了理论依据。     

LED球泡灯的烟囱效应散热设计与实验

为了增强LED灯具的散热能力,根据烟囱效应原理,设计了一种LED球泡灯,其具有特殊的直筒式烟囱结构。利用Solidworks建立三维模型,通过其插件Flow Simulation进行热仿真,并以烟囱高度30 mm、烟囱数量6、通风口长度2 mm的参数为基础模型。通过实验验证,测出该模型的最高温度为69℃,与仿真所得出的结果仅相差1.66℃,证实了仿真步骤的正确性。以此为基础,对不同烟囱高度和数量、通风口大小对LED芯片最高温度的影响进行研究。研究表明:烟囱效应明显增强了灯具的对流散热性能。在烟囱高度为45mm、烟囱数量为12、通风口长度为3.5 mm时,LED芯片的最高温度为61.04℃,比优化前下降了9.62℃。在模型参数相同的条件下,最高温度比不加烟囱结构的LED球泡灯下降了1.9℃,且散热器重量下降了2.55g。在自然对流条件下,所设计的LED球泡灯能很好地满足LED芯片工作要求。     

半导体冷藏箱热端风冷散热器CFD辅助设计和实验研究

在保证半导体冷藏箱热端散热的情况下,将热端水冷改为风冷以简化制冷系统。运用CFD软件进行辅助设计,并对换热过程进行场协同分析,得到肋间距为2mm,肋厚为0.6mm,顶部送风方式下散热器性能达到最优化。将设计的散热器用于试验,试验结果与模拟设计结果最大相差10.7%。试验结果证明了运用CFD辅助设计的风冷式半导体热端散热器的可靠性。研究结果有助于半导体热端风冷散热器的热设计和提高其散热性能。     

基于平板热管的大功率LED照明散热研究

针对大功率LED照明散热问题,本研究将新型平板热管传热与大功率LED照明灯散热相结合,试验研究了利用平板热管散热器散热的LED阵列光源的工作状况。试验结果表明:与无热管的肋片散热器相比,加热管的LED光源芯片中心温度在结温允许范围内比只加普通肋片的LED低约5℃,设置平板热管的LED照明装置的散热器各部分温度分布更均匀。散热器表面温度达到稳定所需时间较快,这种结构的热管散热器可以有效提高肋片散热器的工作效率、结构紧凑、重量轻、成本低,可以满足未来大功率LED散热的要求。     

基于半导体制冷技术的LED前照灯散热器设计与优化

针对大功率LED汽车前照灯的结构、性能要求,提出了基于热电制冷效应的散热方案,并对不同类型散热系统散热性能进行了试验研究。结果表明:半导体制冷器对外部风扇风速或冷却液流速的敏感性分别高于风冷和液冷散热装置,模型一(风冷+热电制冷)和模型二(液冷+热电制冷)的制冷片最佳工作电流分别为3.0 A和5.0 A。当环境温度在极限范围(60~65℃)时,计算得到芯片的结温为55.5℃,光通量为1 458.8 lm。所设计的基于热电制冷散热系统可以满足使用要求。     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

无散热器LED异形灯设计与实验

为了降低发光二极管(LED)灯具的重量和生产成本,根据烟囱效应原理,设计了一种无散热器的LED异形灯。利用Solidworks软件建立三维模型,通过其插件Flow Simulation进行热仿真。并以烟囱高度为30mm,烟囱通道直径为20mm的参数为基础模型,研究不同烟囱高度和烟囱通道直径对LED异形灯最高温度的影响。仿真结果表明:对于烟囱高度和烟囱通道直径都为45 mm,基板重量为35.86g的LED异形灯,当输入功率为6,8,10 W时,其最高温度都低于芯片的安全结温85℃,可满足LED安全工作的要求。对8W的LED异形灯进行实验验证,结果表明LED异形灯的最高温度为73℃,与仿真结果仅相差2.06℃,验证了仿真的正确性。所设计的无散热器LED异形灯不仅可以很好地满足LED散热要求,而且重量轻、成本低、制造简单。     

LED异形灯的散热设计与实验

为了提高LED灯具的散热能力,基于烟囱效应原理,设计了一种新型的LED灯具散热结构。该结构仅采用一块圆柱状基板,不需要散热器,突破了传统LED灯具的构造模式。运用软件Solidworks构建三维模型,用其插件Flow Simulation进行热仿真。当功率为10 W时,LED芯片最高温度为81.34℃。当功率增加到15 W时,最高温度变为105.54℃,高于芯片安全工作温度85℃。因此,本文提出在基板中间加入散热器的改进方案,使LED芯片最高温度下降了30.79℃。并以散热器翅片数12个、内环直径20 mm、翅片厚度1 mm为基础模型参数,进行优化试验。研究表明:在翅片数为12个、内环直径为12 mm、翅片厚度为1 mm时,LED异形灯的散热效果最好,此时,LED异形灯的最高温度为72.21℃。当功率为8,13,15,17,19 W时,LED异形灯芯片的温度都满足LED工作的安全要求。经过对8 W的LED异形灯样品的实验测试,测得其最高温度为53℃,与仿真结果仅相差1.01℃,证实了研究的准确性。所设计的LED异形灯,为解决大功率LED散热问题提供了一条新的途径。     

LED散热器三角槽扩展表面散热性能

对大功率LED太阳花散热器肋片三角槽扩展表面的散热性能进行了数值模拟与分析,并对肋片长度方向的温度分布进行了实验验证。在考虑自然对流和辐射模型的条件下,研究了肋片表面三角槽的顶角α、槽宽s和槽深d对散热器肋片顶部最高温升ΔTmax、平均对流换热系数h和对流换热热阻R的影响。结果表明:顶角α在90°～120°范围内、向肋片根部倾斜的三角槽在增加散热面积的同时,改善了流场分布,从而显著地增强了太阳花散热器的散热性能;相比于槽宽s,槽深d对平均对流换热系数h影响更为显著,较小或较大的槽深会因平均对流换热系数h的大幅降低而恶化散热效果。     

基于热阻网络的大功率LED热管散热研究

LED结温高一直是大功率LED发展的技术瓶颈,随着单位热流密度的不断攀升,在自然冷却条件下,单纯的直肋热沉散热方式已不能满足散热要求。应用热管技术设计了热管散热系统,对该系统的传热机理和传热路线进行分析,建立该系统对应的热网络模型,对各部分热阻进行分析与计算,求得总的理论总热阻,计算得出理论结温;同时应用有限元方法对该系统进行仿真分析,对LED模块（0.025 m0.025 m0.005 m）输入30 W 电功率,得出其仿真结温稳定在58.19℃,满足结温小于65℃的要求,说明应用热管的散热系统满足设计要求。由热阻网络模型计算得出的理论结温为57.43℃,与仿真结果相差0.76℃,其误差仅为1.31％,验证了理论分析计算的正确性,对实际工程中热设计具有指导意义。     

微型倒装AlGaInP发光二极管阵列器件的光电性能

为进一步提高红光微型发光二极管(LED)阵列器件的能量利用效率,对倒装AlGaInP LED阵列器件的光电性能进行研究。首先,测试对比了垂直型和倒装型AlGaInP LED两种芯片结构的出光性能,表明倒装型LED具有更高的出光功率。其次,建立了倒装型LED阵列出光功率模型,计算得到了出光功率与环境温度、基底热阻的关系:随基底热阻增大、环境温度升高,AlGaInP LED阵列器件的出光功率逐渐降低,出光饱和处对应的注入电流前移,光电性能逐渐下降。然后,采用转印法制备了6×6倒装AlGaInP LED阵列,测试结果表明,理论与实测结果较为一致。最后,利用有限元软件计算分析了Cu和聚二甲基硅氧烷(PDMS)这两种常见基底的热阻随环境、结构变化的数值关系。结果显示:Cu基底的散热较为均匀,优化基底结构或增加空气对流速率,对Cu基底热阻值的改变相对较小;PDMS材料的散热均匀性相对较差,通过优化基底结构、增大空气对流速率可以有效降低基底热阻,改善微型LED阵列器件的光电性能。