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基于FLOEFD的散热器翅片间距仿真设计

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随着LED(发光二极管)的功率、发光强度和发光效率大幅度提高,LED作为新型照明光源在市场中的份额逐渐提高,给现代社会生活质量的提高带来了不可估量的影响,正在引发一场全球照明领域的革命。

但是,LED照明产品仍有极大的技术问题亟待解决,LED的散热问题就是其中之一。因为LED的发热量大,并且是温度敏感器件。LED的温度升高会影响其寿命、光效、光色(波长)、色温、光形(配光)、以及正向电压、色度和电气参数以及寿命等。所以,散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。

1 LED散热原理

热交换的三种基本方式为:热传导、对流和热辐射。通俗的说,热传导是将热量匀化或传导到指定位置;热对流是将热源表面的热量与介质(常为空气、水等)发生热交换,结果使表面的温度降低;热辐射是将热源的热量通过波的形式(紫外线、可见光线、红外线等)发散到周围的空间中。

对流传热的基本公式是牛顿冷却公式:

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2 LED散热途径

LED芯片是发热主体。首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片再通过固晶方式传递至封装热沉(heatsink)上面,然后热量通过热沉传递至铝基PCB,最终铝基PCB与金属制(一般为铝)散热器结合,将热量传递至灯具外部,到达空气环境中。一般LED芯片的热量最终到达空气中需要经过如下各层材料传导。

3模拟的产品结构和条件

产品设计结构由LED、铝基板、导热硅胶垫和散热器组成,具体尺寸和结构如图1,散热器翅片间距A为可变,基本设计参数如下。

LED:OSRAM OSLON,10PCS,总功率25W(3.15V×0.8A×10PCS),发热功率为21.3W(25W×0.8);

铝基板,基材为铝,导热率为200W/m·K;

导热硅胶垫,厚度0.3mm,导热率为5W/m·K;

散热器,材料为AL6063-T5,导热率为202W/m·K;

LED间距B:25mm×25mm

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4仿真软件和仿真设计条件

FloEFD是新一代流体动力学分析的革命性工具,全球唯一完全嵌入三维机械CAD环境中高度工程化的通用流体传热分析软件,真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合,成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具。计算3D模型如图2,模拟参数设计如表1

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5不同间距的结果对比分析

散热器翅片间距为10mm的模拟结果如图3

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6结论

1) 散热器翅片间距越小,散热器温差越低;散热器翅片间距越大,散热器温差越高。

2) 散热器底板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响,太薄热容量太小,太厚热阻反而增加,底板厚度的最一般为3mm-6mm为最佳,本文取5mm

3) 自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热翅片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热翅片表面不加波纹齿。

4) 如果翅片间距太小,两个翅片的热边界层易交叉,影响翅片表面的热对流,根据本文的模拟,一般建议大于6mm;如果散热器翅片高低于10mm,可按翅片间距≥1.2倍翅片高来确定散热器的翅片间距。

5)自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。

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