基本信息
- 项目名称：
- 半导体照明灯具典型散热结构分析与优化
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着能源危机日益加剧和环保节能意识普及，LED节能光源应用广泛。由于温度升高而产生的热效应会严重影响LED器件使用寿命和可靠性，故需要对其散热结构进行热分析与优化设计。首先，分别对两种典型散热结构进行热解析，找出工程原始设计方案不足并提出改进方案。然后，通过参数优化设计，给出散热器最优结构参数设计的图表和拟合曲线。最后，分析环形灯具两种散热结构，给出不同翅片尺寸参数及位置参数对灯具温度的影响结果。
- 详细介绍：
- 随着能源危机日益加剧和环保节能意识普及，LED节能光源应用广泛。目前LED的发光效率仅能达到10% ～20%，其余80% ～90% 的能量转化为热能，随着温度的升高，将会导致LED的发光效率下降，使用寿命降低。因此大功率LED灯具的散热技术具有重要的科学研究和工程应用价值。本文在对大功率型LED灯具优点及发展状况进行总结的基础上，主要对大功率LED灯具的散热分析与优化设计问题进行了研究。采用基于数值模拟的设计思想，利用商用热分析软件Icepak，针对上海某公司的典型LED灯具的散热结构进行了热分析，给出流场、温度场的模拟结果，并采用多项式拟合公式和工程图表等形式对分析结果进行后处理，方便工程设计人员使用；系统介绍了多项式响应面模型，Kriging模型和径向基函数模型等3种多学科设计优化中常用的代理模型；基于HyperStudy参数优化软件，采用响应面模型和Kriging模型，对LED灯具的平行翅片散热结构的翅片厚度、间距、高度等设计参数进行了优化设计，给出优化结果，提出工程改进意见。本文研究工作可为LED灯具散热器结构的工程设计提供参数选择的科学定量依据，为散热结构的优化设计提供系统的设计模型和实现技术。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文对两种典型散热结构，条形和太阳花型散热器工作温度及流场分布进行热解析，通过实测比较验证本文方法正确性。从流场和温度场分析，找出原始设计方案不足并提出改进。其次，针对太阳花形散热器，构造以散热结构重量为目标，以翅片几何参数为设计变量，以最高温度为约束的优化模型，用参数化建模方法，对其参数进行优化设计，给出满足规范要求的最优结构参数设计图表和拟合曲线，为LED灯具散热器结构工程设计提供了建议。
科学性、先进性及独特之处
- 大功率LED光源在照明领域的发展前景广阔。传统LED散热结构设计，基于工程师个人的经验。本团队将数值热分析技术引入散热器的设计，对具体翅片型散热器给出温度场和流场分布，建立参数化模型，对设计参数进行优化，给出符合工程实际约束的优化散热结构设计。不但有效降低了LED灯具的PN结结温，提高了灯具的使用寿命和发光效率，更通过优化设计技术，降低了灯具的有效载荷，提高了安装的可靠性。
应用价值和现实意义
- 传统LED散热结构设计往往基于工程师个人经验，很难保证设计是可行和优化的。本团队将数值热分析技术引入散热器设计，对具体翅片型散热器给出温度场和流场分布，据此建立参数化模型，采用理性结构优化技术，对设计参数进行优化，给出满足行业规范要求的LED灯具散热器最优结构参数设计图表和拟合曲线，为其工程设计提供参数选择的科学定量依据，为其优化设计提供系统的设计模型和实现技术
学术论文摘要
- 本文在对功率型半导体照明灯具（LED）散热方式进行总结的基础上，分别针对两种典型散热结构，条形散热器和太阳花型散热器实际工作时的温度及周围流场分布进行热解析，通过与实测最高温度的比较，验证了本文所用数值模型和分析方法的正确性。通过对散热结构流场和温度场的分析，找出了原始设计方案的不足并提出改进方案，数值模拟结果显示优化结构可以大大降低灯具的工作温度，同时减轻灯具结构的重量。在此基础上，针对太阳花形散热器，构造了以散热结构重量为目标，以翅片几何参数为设计变量，以最高温度为约束的优化模型，基于参数化建模方法，对散热器结构参数进行了优化设计，给出了满足行业规范要求的散热器最优结构参数设计的图表和拟合曲线，为LED灯具散热器结构的工程设计提供了建议。
获奖情况
- 中国计算力学大会2010（CCCM2010）暨第八届南方计算力学学术交流会（SCCM－8）,2010,8月21日-23日，绵阳。 固体力学学报（计算力学专辑）。
鉴定结果
- 将本文数值计算结果与上海某公司技术人员采用电热偶对铝合金散热框架的最高温度进行了实际测量结果进行对比，结果基本吻合，验证了本文所采用数值模型和分析方法的正确性。
参考文献
- [1] 郭宪民, 杨小龙. 板翅式冷板表面温度分布的数值计算和实验研究. 西安交通大学学报, 2003,37(5): 527-530. [2] 李华平, 柴广跃, 彭文达, 牛憨笨. 大功率led 的封装及其散热基板研究.半导体光电, 2007,28(1): 4-6. [3] 陈明祥, 马泽涛, 刘胜. Led 感应局部加热封装试验研究. 发光学报, 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] 刘一兵, 黄新民, 刘国华. 基于功率型led 散热技术的研究. 照明工程学报, 2008,19(1): 69-73. [6] 杨丽敏. 如何有效地提高功率型led 封装工艺. 现代显示, 2007,(4): 63-67. [7] 曾鹏飞,刘永贤,郝永平,孙国强.多学科协同过程设计模型的共享与交互技术[J].东北大学 学报(自然科学版) ,2009,30(3):426-430.
同类课题研究水平概述
- 随着能源危机的日益加剧和环保节能意识的普及，节能光源大量出现。特别是近年来，GaP、GaN 系Ⅲ-V 族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术取得了巨大的进步，半导体LED 的光效和大功率集成技术都有了显著的提高，半导体发光二极管(LED)的应用已由显示领域逐渐转移进入到照明领域。集成化、小型化和功率密度不断增加是LED灯具发展的趋势，而由此带来的散热问题日益成为制约其发展的主要瓶颈之一。合理优化设计LED灯具的散热装置，改善散热结构的内部流场，从而有效的降低LED灯具表面及芯片的温度，提高LED灯具的稳定性和使用寿命，成为LED设计人员关心的课题。 由于课题的新颖性，在目前来说国内外的相关研究都处于初期，在国内有杨丽敏等研究了封装工艺对LED灯具散热性能的影响。余彬海等对LED灯具的热阻性能进行了研究，并讨论了其对散热效果的影响。段保岩、付桂翠等[9-11]针对功率型电子器件的散热结构，对影响散热性能的结构几何因素进行了灵敏度分析，并在自然空气冷却的条件下对散热器散热性能进行了参数优选设计。 国外有Arik M，Petroski J，Weaver S等人研究了散热性能对新一代固态照明应用带来的挑战。
