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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 半導(dǎo)體照明燈具典型散熱結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 隨著能源危機(jī)日益加劇和環(huán)保節(jié)能意識(shí)普及，LED節(jié)能光源應(yīng)用廣泛。由于溫度升高而產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響LED器件使用壽命和可靠性，故需要對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，分別對(duì)兩種典型散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱解析，找出工程原始設(shè)計(jì)方案不足并提出改進(jìn)方案。然后，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出散熱器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的圖表和擬合曲線。最后，分析環(huán)形燈具兩種散熱結(jié)構(gòu)，給出不同翅片尺寸參數(shù)及位置參數(shù)對(duì)燈具溫度的影響結(jié)果。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著能源危機(jī)日益加劇和環(huán)保節(jié)能意識(shí)普及，LED節(jié)能光源應(yīng)用廣泛。目前LED的發(fā)光效率僅能達(dá)到10% ～20%，其余80% ～90% 的能量轉(zhuǎn)化為熱能，隨著溫度的升高，將會(huì)導(dǎo)致LED的發(fā)光效率下降，使用壽命降低。因此大功率LED燈具的散熱技術(shù)具有重要的科學(xué)研究和工程應(yīng)用價(jià)值。本文在對(duì)大功率型LED燈具優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)大功率LED燈具的散熱分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究。采用基于數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)思想，利用商用熱分析軟件Icepak，針對(duì)上海某公司的典型LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析，給出流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，并采用多項(xiàng)式擬合公式和工程圖表等形式對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行后處理，方便工程設(shè)計(jì)人員使用；系統(tǒng)介紹了多項(xiàng)式響應(yīng)面模型，Kriging模型和徑向基函數(shù)模型等3種多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中常用的代理模型；基于HyperStudy參數(shù)優(yōu)化軟件，采用響應(yīng)面模型和Kriging模型，對(duì)LED燈具的平行翅片散熱結(jié)構(gòu)的翅片厚度、間距、高度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出優(yōu)化結(jié)果，提出工程改進(jìn)意見(jiàn)。本文研究工作可為L(zhǎng)ED燈具散熱器結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)選擇的科學(xué)定量依據(jù)，為散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
作品專業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 本文對(duì)兩種典型散熱結(jié)構(gòu)，條形和太陽(yáng)花型散熱器工作溫度及流場(chǎng)分布進(jìn)行熱解析，通過(guò)實(shí)測(cè)比較驗(yàn)證本文方法正確性。從流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析，找出原始設(shè)計(jì)方案不足并提出改進(jìn)。其次，針對(duì)太陽(yáng)花形散熱器，構(gòu)造以散熱結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，以翅片幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以最高溫度為約束的優(yōu)化模型，用參數(shù)化建模方法，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出滿足規(guī)范要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)圖表和擬合曲線，為L(zhǎng)ED燈具散熱器結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)提供了建議。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 大功率LED光源在照明領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊。傳統(tǒng)LED散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于工程師個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)。本團(tuán)隊(duì)將數(shù)值熱分析技術(shù)引入散熱器的設(shè)計(jì)，對(duì)具體翅片型散熱器給出溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，建立參數(shù)化模型，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，給出符合工程實(shí)際約束的優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不但有效降低了LED燈具的PN結(jié)結(jié)溫，提高了燈具的使用壽命和發(fā)光效率，更通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，降低了燈具的有效載荷，提高了安裝的可靠性。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 傳統(tǒng)LED散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往基于工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，很難保證設(shè)計(jì)是可行和優(yōu)化的。本團(tuán)隊(duì)將數(shù)值熱分析技術(shù)引入散熱器設(shè)計(jì)，對(duì)具體翅片型散熱器給出溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，據(jù)此建立參數(shù)化模型，采用理性結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，給出滿足行業(yè)規(guī)范要求的LED燈具散熱器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)圖表和擬合曲線，為其工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)選擇的科學(xué)定量依據(jù)，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型和實(shí)現(xiàn)技術(shù)
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文在對(duì)功率型半導(dǎo)體照明燈具（LED）散熱方式進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)兩種典型散熱結(jié)構(gòu)，條形散熱器和太陽(yáng)花型散熱器實(shí)際工作時(shí)的溫度及周?chē)鲌?chǎng)分布進(jìn)行熱解析，通過(guò)與實(shí)測(cè)最高溫度的比較，驗(yàn)證了本文所用數(shù)值模型和分析方法的正確性。通過(guò)對(duì)散熱結(jié)構(gòu)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析，找出了原始設(shè)計(jì)方案的不足并提出改進(jìn)方案，數(shù)值模擬結(jié)果顯示優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以大大降低燈具的工作溫度，同時(shí)減輕燈具結(jié)構(gòu)的重量。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)太陽(yáng)花形散熱器，構(gòu)造了以散熱結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，以翅片幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以最高溫度為約束的優(yōu)化模型，基于參數(shù)化建模方法，對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了滿足行業(yè)規(guī)范要求的散熱器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的圖表和擬合曲線，為L(zhǎng)ED燈具散熱器結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供了建議。
獲獎(jiǎng)情況
- 中國(guó)計(jì)算力學(xué)大會(huì)2010（CCCM2010）暨第八屆南方計(jì)算力學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì)（SCCM－8）,2010,8月21日-23日，綿陽(yáng)。 固體力學(xué)學(xué)報(bào)（計(jì)算力學(xué)專輯）。
鑒定結(jié)果
- 將本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與上海某公司技術(shù)人員采用電熱偶對(duì)鋁合金散熱框架的最高溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了本文所采用數(shù)值模型和分析方法的正確性。
參考文獻(xiàn)
- [1] 郭憲民, 楊小龍. 板翅式冷板表面溫度分布的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2003,37(5): 527-530. [2] 李華平, 柴廣躍, 彭文達(dá), 牛憨笨. 大功率led 的封裝及其散熱基板研究.半導(dǎo)體光電, 2007,28(1): 4-6. [3] 陳明祥, 馬澤濤, 劉勝. Led 感應(yīng)局部加熱封裝試驗(yàn)研究. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2007,28(2): 241-245. [4] S. Liu, J. Yang, Z. Gan, X. Luo. Structural optimization of a microjet based cooling system for high power leds. International Journal of Thermal Sciences, 2008,48: 1086-1095. [5] 劉一兵, 黃新民, 劉國(guó)華. 基于功率型led 散熱技術(shù)的研究. 照明工程學(xué)報(bào), 2008,19(1): 69-73. [6] 楊麗敏. 如何有效地提高功率型led 封裝工藝. 現(xiàn)代顯示, 2007,(4): 63-67. [7] 曾鵬飛,劉永賢,郝永平,孫國(guó)強(qiáng).多學(xué)科協(xié)同過(guò)程設(shè)計(jì)模型的共享與交互技術(shù)[J].東北大學(xué) 學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2009,30(3):426-430.
同類課題研究水平概述
- 隨著能源危機(jī)的日益加劇和環(huán)保節(jié)能意識(shí)的普及，節(jié)能光源大量出現(xiàn)。特別是近年來(lái)，GaP、GaN 系Ⅲ-V 族化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶成長(zhǎng)工藝技術(shù)及納米技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，半導(dǎo)體LED 的光效和大功率集成技術(shù)都有了顯著的提高，半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的應(yīng)用已由顯示領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)移進(jìn)入到照明領(lǐng)域。集成化、小型化和功率密度不斷增加是LED燈具發(fā)展的趨勢(shì)，而由此帶來(lái)的散熱問(wèn)題日益成為制約其發(fā)展的主要瓶頸之一。合理優(yōu)化設(shè)計(jì)LED燈具的散熱裝置，改善散熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)，從而有效的降低LED燈具表面及芯片的溫度，提高LED燈具的穩(wěn)定性和使用壽命，成為L(zhǎng)ED設(shè)計(jì)人員關(guān)心的課題。 由于課題的新穎性，在目前來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究都處于初期，在國(guó)內(nèi)有楊麗敏等研究了封裝工藝對(duì)LED燈具散熱性能的影響。余彬海等對(duì)LED燈具的熱阻性能進(jìn)行了研究，并討論了其對(duì)散熱效果的影響。段保巖、付桂翠等[9-11]針對(duì)功率型電子器件的散熱結(jié)構(gòu)，對(duì)影響散熱性能的結(jié)構(gòu)幾何因素進(jìn)行了靈敏度分析，并在自然空氣冷卻的條件下對(duì)散熱器散熱性能進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)。 國(guó)外有Arik M，Petroski J，Weaver S等人研究了散熱性能對(duì)新一代固態(tài)照明應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
