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        基于煙囪效應(yīng)的太陽(yáng)花型散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2014-09-01 12:04:37王金亮葉仁廣
        機(jī)電信息 2014年21期
        關(guān)鍵詞:花型煙囪散熱器

        王金亮 葉仁廣

        (1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院材料與科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.寧波佰仕電器有限公司,浙江 寧波 315470)

        基于煙囪效應(yīng)的太陽(yáng)花型散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        王金亮1葉仁廣2

        (1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院材料與科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.寧波佰仕電器有限公司,浙江 寧波 315470)

        主要通過引入煙囪效應(yīng),加強(qiáng)空氣對(duì)流,增強(qiáng)太陽(yáng)花型散熱器的散熱能力。采用ANSYS有限元分析軟件,研究了肋頂直徑、肋底直徑、散熱環(huán)半徑以及厚度等參數(shù)對(duì)散熱能力的影響,通過模擬結(jié)果可知,選取合理的參數(shù)能夠適當(dāng)提高散熱器的散熱能力,減小散熱器質(zhì)量,節(jié)約成本。

        煙囪效應(yīng);散熱器;有限元分析法

        0 引言

        新一代的光源LED因節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)備受矚目,然而,LED的散熱問題仍制約著該行業(yè)的發(fā)展[1-2]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上[3-4],基于ANSYS有限元分析法,詳細(xì)研究了煙囪效應(yīng)對(duì)于散熱器散熱性能及質(zhì)量的影響,并與同參數(shù)下的普通太陽(yáng)花型散熱器進(jìn)行比較,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

        1 理論與模型建立

        基于ANYSY軟件的有限元分析法對(duì)散熱器的散熱能力進(jìn)行熱分析。ANSYS軟件是一款專業(yè)的熱分析軟件,可處理3種熱傳遞類型,即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射。

        1.1 理論模型

        在三維直角坐標(biāo)系中,根據(jù)熱力學(xué)第一定律有:

        (1)

        式中,λ為導(dǎo)熱系數(shù);T為溫度;qν為發(fā)熱率;τ為時(shí)間;cν為比熱容。

        鋁為各向同性材料,散熱片體積為V,邊界曲面為S,由于環(huán)境溫度Ta和空氣對(duì)流換熱系數(shù)α已知,即散熱片的邊界曲面S滿足第三類邊界條件(在Γ3邊界上),在第三類邊界條件下式(1)可變?yōu)椋?/p>

        (2)

        將散熱片離散成n個(gè)單元和m個(gè)節(jié)點(diǎn),得方程:

        (3)

        式中,[C]為比熱容矩陣;[K]為熱傳導(dǎo)矩陣;{Q}為節(jié)點(diǎn)的熱流率矩陣。

        由式(3)可求得各節(jié)點(diǎn)的溫度值。

        1.2 模型的建立

        實(shí)驗(yàn)選取深圳銘翔光電有限公司的功率為15 W的貼片型燈珠。其中,COB芯片直徑為16 mm,厚度為0.6 mm。燈珠基板為鋁基板,尺寸為20 mm×20 mm×1 mm。在ANSYS12.0中建立模型,參數(shù)如表1所示。

        根據(jù)一般情況,對(duì)散熱器設(shè)定以下約束條件:

        (1) 我們選擇CREE公司的藍(lán)光LED芯片,設(shè)定其發(fā)熱率為85%。設(shè)該芯片的產(chǎn)熱率為Q,即:

        表1 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

        (2) 鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為200 W/(m·K),密度為2.7×103kg/m3。LED芯片的導(dǎo)熱系數(shù)為130 W/(m·K)。

        (3) 環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃,空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/(m2· ℃)。

        ANSYS軟件下采用穩(wěn)態(tài)模擬,結(jié)果如圖1所示,芯片最高溫度為59.03 ℃。

        圖1 散熱器表面溫度分布情況

        2 散熱器的優(yōu)化

        2.1 對(duì)肋底直徑的優(yōu)化

        選擇肋頂直徑為64 mm,保持散熱器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變肋底直徑,分析肋底直徑變化時(shí)其散熱能力的變化情況。當(dāng)肋底直徑分別為62.92 mm、68.68 mm、80.2 mm時(shí),散熱器質(zhì)量分別為410 g、421.5 g、445 g,芯片溫度分別為66.99 ℃、63.97 ℃、54.37 ℃??芍?,減小肋底直徑,芯片溫度將明顯升高。這是由于底部面積的減小限制了空氣的流入,煙囪效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)減弱,散熱效果就明顯減弱。

        2.2 對(duì)散熱環(huán)厚度的優(yōu)化

        選擇上述優(yōu)化參數(shù),保持散熱器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變散熱環(huán)厚度,分析散熱環(huán)厚度變化時(shí)其散熱能力的變化情況。當(dāng)散熱環(huán)厚度分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm時(shí),散熱器質(zhì)量分別為412.4 g、428.5 g、445 g,芯片溫度分別為59.40 ℃、59.49 ℃、59.63 ℃。可知,在散熱環(huán)厚度變小的情況下,散熱器質(zhì)量與芯片溫度都相應(yīng)降低,其中散熱器質(zhì)量的下降幅度更是明顯。

        2.3 對(duì)散熱環(huán)半徑的優(yōu)化

        改變散熱器外環(huán)的半徑,分析散熱環(huán)半徑變化時(shí)散熱能力的變化情況,得到數(shù)據(jù)如圖2所示。

        圖2 芯片溫度與散熱器質(zhì)量

        由圖2可知,在散熱環(huán)半徑增大時(shí),芯片溫度逐漸降低,但是散熱器質(zhì)量會(huì)隨著散熱環(huán)半徑的增大而增加。當(dāng)散熱環(huán)呈曲線型時(shí),空間占用率較小,且更為美觀。

        綜上所述,取肋頂直徑64 mm,肋底直徑80.2 mm,散熱環(huán)半徑300 mm,散熱環(huán)厚度1 mm。模擬優(yōu)化后的散熱器,芯片溫度60.1 ℃,散熱器質(zhì)量421.7 g。模擬相同參數(shù)下的太陽(yáng)花型散熱器,芯片溫度64.59 ℃,散熱器質(zhì)量425.3 g。由上可知,基于煙囪效應(yīng)的散熱器的散熱效果與質(zhì)量都優(yōu)于普通太陽(yáng)花型散熱器。另外,文章所設(shè)計(jì)的散熱器表面溫度更低,且溫度分布更均勻。在室內(nèi)常溫25 ℃的條件下,實(shí)驗(yàn)使用FLUKE溫度傳感器(精度±0.1 ℃)對(duì)優(yōu)化后的散熱器進(jìn)行溫度測(cè)量,在散熱器溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí),測(cè)得實(shí)際溫度為64.3 ℃,同比于模擬結(jié)果僅相差4.2 ℃。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文在原有的太陽(yáng)花型散熱器上引入煙囪效應(yīng),通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)散熱器進(jìn)行散熱分析,由分析結(jié)果可知,引入煙囪效應(yīng)后,散熱器的散熱能力略有提升,散熱器總質(zhì)量也略有減少,同時(shí)散熱器空間占用率更低,其外觀也更整潔美觀。最后對(duì)比實(shí)測(cè)溫度與軟件模擬溫度,誤差僅4.2 ℃。

        [1]王海鷗,李廣安.認(rèn)識(shí)照明LED[J].中國(guó)照明電器,2004(2)

        [2]白坤,吳禮剛,聶秋華,等.大功率LED筒燈散熱封裝設(shè)計(jì)與分析[J].光學(xué)技術(shù),2012(3)

        [3]張國(guó)旺,韓彥軍,羅毅.基于煙囪效應(yīng)的集成封裝半導(dǎo)體照明光源散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].光電器件,2013(5)

        [4]李中,李勇,湯應(yīng)戈,等.大功率LED太陽(yáng)花散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].激光與光電子進(jìn)展,2012(10)

        2014-06-09

        王金亮(1989—),男,浙江紹興人,在讀碩士研究生,研究方向:LED分裝。

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