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        列車車載LED燈結(jié)構(gòu)散熱分析

        2016-04-26 09:27:29楊曉靜
        科技視界 2016年9期
        關(guān)鍵詞:散熱

        楊曉靜

        【摘 要】LED照明光源已被廣泛應(yīng)用于照明系統(tǒng)設(shè)備,但由于其光電轉(zhuǎn)化率較低,大部分電能實際轉(zhuǎn)化成了熱量,所以如何提高其散熱能力是LED燈產(chǎn)業(yè)化解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文做的是列車車載LED燈結(jié)構(gòu)散熱分析。對LED的各項原理、結(jié)構(gòu)和光學(xué)特點做了簡要的分析,之后確定鋁材料和肋片型散熱器,導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行熱分析,得出其穩(wěn)態(tài)的溫度場分布圖,從而驗證了散熱器各項選擇的合理性,并分析了實際列車中散熱器的散熱情況。

        【關(guān)鍵詞】LED;散熱;熱分析;ANSYS

        1 列車車載LED的意義

        本課題做的是列車車載LED燈的結(jié)構(gòu)散熱分析,我們就有必要了解為什么要做這樣的一個設(shè)分析。

        LED英文單詞Light Emitting Diode的縮寫,即發(fā)光二極管,是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。發(fā)光二極管具有驅(qū)動電壓低、功耗小、壽命長、抗沖擊和抗振動性好、可靠性高等一系列優(yōu)點。LED是一種新型半導(dǎo)體固態(tài)光源,在全球能源日趨緊張和環(huán)保壓力日益加大的情況下,使用LED半導(dǎo)體照明已被公認(rèn)是一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。

        就列車車載中LED的應(yīng)用優(yōu)點是:

        1)抗震性強(qiáng),大量減少維護(hù)工作;

        2)壽命長;

        3)配光控制容易,有益于照射面的利用率,且可降低眩光等;

        4)體積小,可以安裝在行李架等空間有限的地方;

        5)重量輕,通過減輕車輛重量,降低運(yùn)行時的能耗。

        2 LED燈的熱特性

        與傳統(tǒng)光源一樣,LED在工作時也會產(chǎn)生熱量。LED芯片的表面積小,正常工作時電流密度大,但是單顆LED的輸出光束又低,所以LED照明設(shè)備大多需要多個LED組合而成,而LED燈的體積有限,這就造成LED密集度較大,并且由于LED的光電轉(zhuǎn)換效率不高,只有20%左右的電能轉(zhuǎn)為光輸出,其余均轉(zhuǎn)換成為熱能,因此當(dāng)LED燈工作時,將會集中產(chǎn)生大量的熱量。熱量若不能盡快有效地耗散,隨之而來的熱將會對LED引起結(jié)溫上升、減少芯片出射的光子、使色溫質(zhì)量下降、加快芯片老化、縮短器件壽命等。由于LED芯片輸入功率的不斷提高,因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出,因此,對LED燈散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和熱分析就變得異常關(guān)鍵。

        3 LED散熱器的材料

        選擇散熱器的材料必須了解傳熱學(xué)熱能傳遞中的熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的原理是當(dāng)不同溫度的分子接近時,由于高溫快速分子與低溫低速分子間發(fā)生完全彈性碰撞或因自由電子的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

        導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù),其單位為W/(m*℃)。一般是說金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高,液體次之,氣體最小。如表1列出了一些金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù):

        表1 各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

        從表1可以看出各材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣,但是做車載上使用的LED燈,我們必須考慮綜合效益的問題。綜合比較下,金屬的導(dǎo)熱性能確實比其它材料要好很多,金、銀、銅的價格昂貴,而鐵、鋼、鉛等其它金屬的導(dǎo)熱系數(shù)太低,現(xiàn)選擇鋁作為散熱器的制作材料。鋁不單只是價格合理、導(dǎo)熱性能好,而且它的密度是金屬中較小的,材質(zhì)較輕,更加適合在列車上使用。

        4 散熱結(jié)構(gòu)的模型

        在確定LED燈的散熱結(jié)構(gòu)之前,必須了解熱能傳遞的另一種方式熱對流,熱對流是指由于流體的宏觀運(yùn)動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移,冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。

        肋片型的散熱器(如圖1)把電源放到管外,從而可以把半邊鋁殼完全做成散熱器。肋片型采用肋片形狀的散熱結(jié)構(gòu),大大增加了散熱器面積。電源不放在管內(nèi),又可以減少熱量,這就大大延長了LED的壽命。

        圖1 肋片型散熱器截面圖

        5 LED燈散熱分析問題歸結(jié)

        LED燈散熱器的上表面放置LED的發(fā)光體,即熱量從上表面流入。下表面、兩外側(cè)面和肋片部分為直接與空氣接觸的散熱區(qū),無任何外力因素,屬于空氣自然對流表面?zhèn)鳠帷?/p>

        綜上所述,可將問題歸結(jié)為這樣的問題進(jìn)行求解。散熱器所有部位均用鋁制造,鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236W/(m*℃),該LED燈的功率為20W,有80%的能量轉(zhuǎn)化成熱量形式,并全部被散熱器的上表面吸收,散熱器上表面的有效吸熱面積為0.02448m2,下表面、兩外側(cè)面和肋片部分為空氣自然對流傳熱,空氣自然對流傳熱系數(shù)為1~10W/(m2×K),由于燈是在列車上使用,所以空氣對流傳熱系數(shù)取5W/(m2×K)較合適,列車上空氣的溫度為室溫25℃,其余各面均無熱量的流入與流出。計算出上表面的熱流密度為653.6W/m2。

        6 利用ANSYS軟件分析散熱器

        做有限元熱分析首先確定一個模型,模在Pro/E軟件中把模型建好,然后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析。出現(xiàn)如圖2所示模型。

        選擇好分析類型、單元類型、材料屬性、單元尺寸,劃分網(wǎng)格后,出現(xiàn)如圖3所示網(wǎng)格劃分結(jié)果模型。

        圖2 導(dǎo)入ANSYS的散熱器模型 圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)模型

        選擇熱分析類型,對上表面施加熱流密度載荷,下表面、兩外側(cè)面和肋片施加對流載荷,并輸入空氣溫度25。

        運(yùn)算求解,輸出溫度場分布的彩色云圖,出現(xiàn)圖4顯示溫度分布結(jié)果。

        從結(jié)果中可以看出散熱器的橫截面溫度場分布情況,其中最高溫度是64.004℃,紅色區(qū)域為最高溫度出現(xiàn)在散熱器的上表面,該區(qū)域放置發(fā)光體。也就是說LED工作時的溫度為64.004℃,而LED燈在80℃以下的溫度工作即可達(dá)到技術(shù)要求。溫度最低是43.174,溫度的最低出現(xiàn)在肋片外沿上,這和預(yù)想的一樣。溫度從肋片外沿到上表面逐漸升高,顏色不同說明溫度的變化。

        肋片型散熱器的溫度變化線整體現(xiàn)出一個向上的弧線,這正式由于中間肋片比較長,兩邊比較短,使中間散熱較好所引起的。由于總體的結(jié)構(gòu)限制,肋片的長度不能再加長,又要保證散熱器的剛度,以至于肋片不能向上表面延伸,這樣的肋片設(shè)計已經(jīng)達(dá)到了散熱效果的頂峰。

        換個角度觀察散熱器的溫度場,如圖5所示。

        圖4 散熱器橫截面溫度分布

        圖5 散熱器溫度分布三維圖

        在圖3-15溫度場的分布中,等溫線是均勻分布的關(guān)于徑向?qū)ΨQ一條直線,這說明了散熱器中任何一個截面的溫度分布都顯圖4所示。也證明了在做有限元熱分析時,該散熱器的溫度分布與散熱器的長度無關(guān),圖5準(zhǔn)確地說明了該分析的正確性。

        7 實際中LED燈的散熱情況

        通過以上對散熱器模型的有限元熱分析,結(jié)果顯示該模型的溫度在正常工作溫度范圍內(nèi),而且這只是僅僅考慮空氣自然對流換熱,LED發(fā)出的熱量全部被散熱器所吸收的理想狀態(tài)下。根據(jù)傳熱學(xué)的知識,熱能傳遞有三種方式:熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。熱輻射是物體因熱的原因由電磁波來發(fā)出輻射能的方式,而散熱器的輻射能力比周圍環(huán)境的高,這肯定有熱量通過熱輻射的方式傳導(dǎo)出去。其實LED燈發(fā)出的熱量全部被散熱器吸收,這只是理想狀態(tài)下,發(fā)光體的下部是散熱器,上部是擴(kuò)光罩,其熱量會散發(fā)到發(fā)光體和擴(kuò)光罩的空氣中,致使擴(kuò)光罩的溫度升高,這就有擴(kuò)光罩與外部空氣存在自然對流傳熱。

        不管哪種形式的傳熱,只有使溫度比理想狀態(tài)下更低。對于在理想狀態(tài)下分析都能達(dá)到正常工作的情況下,實際中LED燈的溫度更加不會影響到正常工作,該散熱器結(jié)構(gòu)符合LED燈實際工作的要求。

        在列車上使用LED燈是隨處的,不單車廂,像行李架、地角燈、閱讀燈、廁所上都使用,甚至于車頭大燈也可以使用LED燈。如圖6所示列車上使用的整體效果。

        圖6 列車上使用LED燈

        8 結(jié)束語

        本文明確完成了列車車載LED燈結(jié)構(gòu)散熱分析,這僅僅是局限于列車車載上的設(shè)計,實際上LED燈的使用已經(jīng)在很多地方發(fā)揮出作用了。分析中可以看到,做LED燈散熱器有限元熱分析時,我們根本做不到呈現(xiàn)列車車載的實際環(huán)境,只是在最接近的狀態(tài)下完成分析,這點上仍需做得更到位些。

        [責(zé)任編輯:王楠]

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