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。     

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。     

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。     

散热模块材料对ATCA主板散热性能影响研究

CPU发热量迅速增加已经成为影响整个处理系统能否正常运行的关键因素,具有多个CPU的服务器级主板散热问题更加显得突出.本文根据ATCA服务器级主板设计要求,通过实验测试以及数值模拟分析,揭示出铜质热沉与铝质热沉在不同空气流量下对整个主板散热能力的影响,提出进一步改善散热效果的方法和技术途径.     

集成芯片LED场地照明灯新型叠片散热器热分析

针对大功率LED场地照明集成芯片散热问题,提出了一种新型散热器结构。该散热器利用高导热纯铝材料,采用叠片的方式成型。采用实验和有限元模拟相结合的研究方法,对包括直流电源的新型叠片式LED散热器的散热性能进行了研究。结果表明：LED电源达到稳态所需时间较长,最终能够稳定在一个较低的温度范围。叠片式纯铝散热器通过增加散热面积和提高散热器材料的导热系数能有效降低LED结温。所设计的散热器和选择的电源在自然对流条件下能够很好地满足250 W大功率LED散热要求。     

导流散热型LED灯的热分析与试验研究

对某LED灯开展了空气导流技术的散热设计,进行了有、无空气导流散热条件下的仿真分析,针对热分析模型进行反复修正迭代,得到了准确的仿真结果。仿真分析与试验结果表明,在有空气导流散热的情况下,LED灯的结温较无空气导流散热时降低约8℃,LED灯的使用寿命可延长2 000 h。进一步研究发现,基板下表面的发射率、接触热阻以及LED与对流孔之间的距离等因素对LED灯的散热均有影响,最终对各个影响因素进行灵敏度分析,给出了降低结温的几点建议。     

导流散热型LED灯的热分析与试验研究

对某LED灯开展了空气导流技术的散热设计,进行了有、无空气导流散热条件下的仿真分析,针对热分析模型进行反复修正迭代,得到了准确的仿真结果。仿真分析与试验结果表明,在有空气导流散热的情况下,LED灯的结温较无空气导流散热时降低约8℃,LED灯的使用寿命可延长2 000 h。进一步研究发现,基板下表面的发射率、接触热阻以及LED与对流孔之间的距离等因素对LED灯的散热均有影响,最终对各个影响因素进行灵敏度分析,给出了降低结温的几点建议。     

立体发光LED灯片的光学性能研究

立体发光灯片的关键是在保证光通量的前提下,如何获得均匀的正反面发光.本文对3种荧光粉平面涂覆立体灯片的正面和反面的瞬态和稳态光通量、色温、色品坐标进行了研究,发现直接涂覆荧光粉胶的灯片总的光通量最大,但正反面的发光性能相差很大;在涂覆荧光粉之前先平面涂覆一层硅胶,可获得正反面发光较均匀的灯片;而在该硅胶层内掺杂扩散粉的灯片,不但没有提高灯片的正反面发光均匀度,反而大幅度降低了光通量值.此外,测试3种样品的发光角度,发现其发光角度分布相似,而发光强度与积分球测试的光通量比值相近.结果表明,涂覆荧光粉之前先平面涂覆一层硅胶工艺,既可以保证立体发光灯片具有较大的光通量又可以获得均匀的正反面发光.     

基于等效热路法的LED阵列散热性能研究

针对一款阵列型大功率LED投光灯的散热特点,建立了关键散热结构的物理模型,并基于等效热路法选用能正确表达其热传导和热对流性能的数学模型,进而遵循本文设计的计算流程能快速计算出自然对流边界条件下的散热性能。通过与红外热像仪的实测温度进行比较,发现二者数据吻合性好,误差仅为+1.08%。随后经散热器关键结构参数对散热性能的影响趋势分析可以看出:肋片间距对投光灯模型存在明显的最优选择,宜采用5 mm的肋片间距;增加肋片高度和减薄肋片厚度均能提升模型的散热性能,但建议须同时考虑减重、成本和可加工性,以获取更适宜的肋片高度(24 mm)和厚度(1～2 mm)。等效热路法可作为同类型LED灯具结构散热性能分析与优化的一种便捷而有效的研究方法。     

基于湍流球泡折射的空间量子密钥分发性能分析

为了研究大气湍流对自由空间量子密钥分发的性能影响,将大气湍流建模为空间中随机分布的空气球泡,利用几何光学原理分析单光子在湍流球泡中的传播,定量计算了经过两次折射后由于偏振态变化造成的光子透射率比值k和误码率Ep的起伏,利用蒙特卡洛方法模拟了湍流折射率随机变化时二者的趋势;最后推导了经过湍流折射后的诱骗态空间量子密钥分发成码率公式并通过分析误码来源得到满足成码率需要的k值上限,建立偏振误码率与入射角和湍流折射率的关系并得到Ep的安全阈值.仿真结果表明当入射角在44.8°~76.5°,湍流折射率在1~1.33范围内可以满足误码率的上限约束.该研究为湍流条件下进行空间量子通信实验提供了理论参考.     

应用于LED灯具散热的平板热管传热特性

平板热管作为一种新型的热管技术,具有高热导率,良好的均温性等优点,成为解决大功率LED散热问题很有前途的技术之一。本文通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了平板热管散热模组的传热性能,探讨了热源布置方式(集中式布置与分散式布置)的影响,为LED芯片的布置提供理论指导。结果表明:该平板热管散热模组的散热效果良好,能有效解决LED灯的散热问题。     

自然对流下LED集成芯片整体式热管散热器性能实验研究

为解决LED集成芯片光源的散热问题,提出一种整体式热管散热器,并在不同的热源功率、充液率、倾角下进行了自然对流散热实验研究。结果表明:散热器的热管最佳充液率为30%。热功率较小时,0°~50°倾角对热管传热影响不大;倾角达到75°时,各功率下的热管传热及散热器热阻都明显恶化。散热器启动时间约为30 min,且几乎不受功率大小影响;但75°倾角下,需要更多时间达到稳定。相比于常见的平行板和太阳花翅片散热器,采用整体式热管散热器散热的芯片结温可得到更有效控制。     

去除铝基板的大功率LED热分析

提出一种大功率LED免铝基板封装方式,采用ANSYS有限元热分析软件对传统的铝基板封装和免铝基板封装的LED进行模拟对比分析。模拟结果表明:两种封装结构的LED,其最高温度均出现在LED芯片处;对于单颗功率1 W、3颗功率1 W和单颗功率3 W的器件,由于有效地简化了散热通道、大幅度降低了总热阻,采用免铝基板结构的最高温度分别降低了6.436,9.468,19.309 ℃。传统的铝基板封装即使选用热导率高达200 W/(m·K)的基板,其散热效果依旧略逊于免铝基板封装结构,且随着LED功率的增大,免铝基板的新型封装结构散热优势更加明显。本文的研究为解决大功率LED的散热问题和光色稳定性问题提供了一种新途径。     

百瓦级铜蒸汽激光器的热设计

通过对百瓦级铜蒸汽激光器电管内气体温度的分析计算，给出百瓦级器件的为防止“黑心”现象输入功率密度的最佳值，分析计算了在此输入功率密度下，为达到最佳工作温度所需的保温层厚度，理论计算和实验结果吻合较好，从而建立了一套确定放电管内气体温度，保温层厚度的方法。     

51V GaN基高压LED的热分析

设计并制备了51 V高压LED。对器件进行了大电流冲击试验并对器件的损毁原因进行了分析。运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟,得到其稳态的温度场分布;然后经过与红外热像仪成像图对比,得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大,为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。对芯片分别进行蓝光及色温5 000 K的白光封装,并分别测量了热阻,涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻要比没有涂覆荧光粉的蓝光灯珠高约4℃/W。同时,51 V高压LED的热阻比1 W大功率LED要高,说明高压LED的散热性能比常规LED要差,这可能与高压LED具有深沟槽及众多的互联电极结构有关。     

51 V GaN基高压LED的热分析

设计并制备了51 V高压LED。对器件进行了大电流冲击试验并对器件的损毁原因进行了分析。运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟,得到其稳态的温度场分布;然后经过与红外热像仪成像图对比,得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大,为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。对芯片分别进行蓝光及色温5 000 K的白光封装,并分别测量了热阻,涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻要比没有涂覆荧光粉的蓝光灯珠高约4℃/W。同时,51 V高压LED的热阻比1 W大功率LED要高,说明高压LED的散热性能比常规LED要差,这可能与高压LED具有深沟槽及众多的互联电极结构有关。     

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。     

高功率密度激光二极管叠层散热结构的热分析

高功率窄间距列阵叠层是提高激光二极管泵浦源光功率密度的有效途径,而封装散热热沉的结构设计在其热管理上占据至关重要的作用。本文利用ANSYS有限元分析方法,对叠层间距、绝缘陶瓷厚度以及陶瓷底面与散热恒温面距离等几个影响高功率密度激光二极管叠层封装散热的重要因素进行了分析,得到器件的最高温度随结构参数变化的规律,并对上述参数进行优化。最后,利用优化结果设计出一种适用于高功率密度激光二极管叠层泵浦源的高效有源散热热沉结构,大幅提高了器件的散热能力,并降低了所需冷却水的水泵功耗需求。     

荧光粉对大功率LED热特性的影响

为了研究荧光粉发热对大功率LED器件热特性的影响,设计了五种不同荧光粉涂敷方式的大功率LED器件,利用ANSYS软件建立热力学模型进行仿真。将模拟与实测结果进行比较,结果表明,铝基板底部的实测温度、透镜顶部的实测温度、芯片的计算结温与加荧光粉热载荷的模拟温度更相近,不加荧光粉热载荷条件下的模拟温度要低于加荧光粉热载荷的模拟温度和实测温度,并且荧光粉涂敷的量以及涂敷的方式对芯片结温、铝基板底部温度、透镜顶部温度都有影响。