基本信息
- 項目名稱：
- 半導體照明燈具典型散熱結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 隨著能源危機日益加劇和環(huán)保節(jié)能意識普及，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)會嚴重影響LED器件使用壽命和可靠性，故需要對其散熱結(jié)構(gòu)進行熱分析與優(yōu)化設(shè)計。首先，分別對兩種典型散熱結(jié)構(gòu)進行熱解析，找出工程原始設(shè)計方案不足并提出改進方案。然后，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，給出散熱器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的圖表和擬合曲線。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)對燈具溫度的影響結(jié)果。
- 詳細介紹：
- 隨著能源危機日益加劇和環(huán)保節(jié)能意識普及，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，將會導致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)具有重要的科學研究和工程應(yīng)用價值。本文在對大功率型LED燈具優(yōu)點及發(fā)展狀況進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，主要對大功率LED燈具的散熱分析與優(yōu)化設(shè)計問題進行了研究。采用基于數(shù)值模擬的設(shè)計思想，利用商用熱分析軟件Icepak，針對上海某公司的典型LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)進行了熱分析，給出流場、溫度場的模擬結(jié)果，并采用多項式擬合公式和工程圖表等形式對分析結(jié)果進行后處理，方便工程設(shè)計人員使用；系統(tǒng)介紹了多項式響應(yīng)面模型，Kriging模型和徑向基函數(shù)模型等3種多學科設(shè)計優(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)計參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，給出優(yōu)化結(jié)果，提出工程改進意見。本文研究工作可為LED燈具散熱器結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供參數(shù)選擇的科學定量依據(jù)，為散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供系統(tǒng)的設(shè)計模型和實現(xiàn)技術(shù)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本文對兩種典型散熱結(jié)構(gòu)，條形和太陽花型散熱器工作溫度及流場分布進行熱解析，通過實測比較驗證本文方法正確性。從流場和溫度場分析，找出原始設(shè)計方案不足并提出改進。其次，針對太陽花形散熱器，構(gòu)造以散熱結(jié)構(gòu)重量為目標，以翅片幾何參數(shù)為設(shè)計變量，以最高溫度為約束的優(yōu)化模型，用參數(shù)化建模方法，對其參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，給出滿足規(guī)范要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計圖表和擬合曲線，為LED燈具散熱器結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供了建議。
科學性、先進性及獨特之處
- 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，基于工程師個人的經(jīng)驗。本團隊將數(shù)值熱分析技術(shù)引入散熱器的設(shè)計，對具體翅片型散熱器給出溫度場和流場分布，建立參數(shù)化模型，對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，給出符合工程實際約束的優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。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，更通過優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，降低了燈具的有效載荷，提高了安裝的可靠性。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 傳統(tǒng)LED散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計往往基于工程師個人經(jīng)驗，很難保證設(shè)計是可行和優(yōu)化的。本團隊將數(shù)值熱分析技術(shù)引入散熱器設(shè)計，對具體翅片型散熱器給出溫度場和流場分布，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)，對設(shè)計參數(shù)進行優(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)計圖表和擬合曲線，為其工程設(shè)計提供參數(shù)選擇的科學定量依據(jù)，為其優(yōu)化設(shè)計提供系統(tǒng)的設(shè)計模型和實現(xiàn)技術(shù)
學術(shù)論文摘要
- 本文在對功率型半導體照明燈具（LED）散熱方式進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，分別針對兩種典型散熱結(jié)構(gòu)，條形散熱器和太陽花型散熱器實際工作時的溫度及周圍流場分布進行熱解析，通過與實測最高溫度的比較，驗證了本文所用數(shù)值模型和分析方法的正確性。通過對散熱結(jié)構(gòu)流場和溫度場的分析，找出了原始設(shè)計方案的不足并提出改進方案，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，同時減輕燈具結(jié)構(gòu)的重量。在此基礎(chǔ)上，針對太陽花形散熱器，構(gòu)造了以散熱結(jié)構(gòu)重量為目標，以翅片幾何參數(shù)為設(shè)計變量，以最高溫度為約束的優(yōu)化模型，基于參數(shù)化建模方法，對散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，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)計的圖表和擬合曲線，為LED燈具散熱器結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供了建議。
獲獎情況
- 中國計算力學大會2010（CCCM2010）暨第八屆南方計算力學學術(shù)交流會（SCCM－8）,2010,8月21日-23日，綿陽。 固體力學學報（計算力學專輯）。
鑒定結(jié)果
- 將本文數(shù)值計算結(jié)果與上海某公司技術(shù)人員采用電熱偶對鋁合金散熱框架的最高溫度進行了實際測量結(jié)果進行對比，結(jié)果基本吻合，驗證了本文所采用數(shù)值模型和分析方法的正確性。
參考文獻
- [1] 郭憲民, 楊小龍. 板翅式冷板表面溫度分布的數(shù)值計算和實驗研究. 西安交通大學學報, 2003,37(5): 527-530. [2] 李華平, 柴廣躍, 彭文達, 牛憨笨. 大功率led 的封裝及其散熱基板研究.半導體光電, 2007,28(1): 4-6. [3] 陳明祥, 馬澤濤, 劉勝. Led 感應(yīng)局部加熱封裝試驗研究. 發(fā)光學報, 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, 劉國華. 基于功率型led 散熱技術(shù)的研究. 照明工程學報, 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,孫國強.多學科協(xié)同過程設(shè)計模型的共享與交互技術(shù)[J].東北大學 學報(自然科學版) ,2009,30(3):426-430.
同類課題研究水平概述
- 隨著能源危機的日益加劇和環(huán)保節(jié)能意識的普及，節(jié)能光源大量出現(xiàn)。特別是近年來，GaP、GaN 系Ⅲ-V 族化合物半導體的結(jié)晶成長工藝技術(shù)及納米技術(shù)取得了巨大的進步，半導體LED 的光效和大功率集成技術(shù)都有了顯著的提高，半導體發(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，而由此帶來的散熱問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LED燈具的散熱裝置，改善散熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場，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LED設(shè)計人員關(guān)心的課題。 由于課題的新穎性，在目前來說國內(nèi)外的相關(guān)研究都處于初期，在國內(nèi)有楊麗敏等研究了封裝工藝對LED燈具散熱性能的影響。余彬海等對LED燈具的熱阻性能進行了研究，并討論了其對散熱效果的影響。段保巖、付桂翠等[9-11]針對功率型電子器件的散熱結(jié)構(gòu)，對影響散熱性能的結(jié)構(gòu)幾何因素進行了靈敏度分析，并在自然空氣冷卻的條件下對散熱器散熱性能進行了參數(shù)優(yōu)選設(shè)計。 國外有Arik M，Petroski J，Weaver S等人研究了散熱性能對新一代固態(tài)照明應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)。
