散熱計算模型
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散熱計算模型 對燈具的熱傳導計算方法進行了討論,提出對于燈具的散熱計算方法使用等效電路的熱阻法計算,可以直接算出燈具內(nèi)溫度關注點與環(huán)境溫度的溫差。有利于判斷導熱結構是否可行。文中還用一個LED燈具散熱計算實例說明了這種計算過程。 Luxeon 大功率LED在散熱性能方面大大地優(yōu)于普通的小功率LED,電通道和熱通道分離開,它的LED芯片都連接在一個金屬的嵌片上,散熱性能得到很大的改善。 但是,大功率LED用于特種燈具,或用于惡劣環(huán)境使用的燈具,這些燈具的外殼防護等級一般都在IP65以上,如果外殼為非金屬(如塑膠)材料,盡管LED連接上了鋁基板(MCPCB),但鋁基板上的熱量如果不能被有效地傳導至外殼表面,則聚集的熱量會使鋁基板的溫度急劇上升,導致溫度過高,增加了LED失效的可能性,造成LED光衰加劇,壽命縮短。 理論上計算燈具散熱的情況,燈具的導熱理論有許多困難,主要的困難是傳導和對流同時對熱傳導起著作用,而對流是在密閉空腔內(nèi)的對流,邊界條件十分復雜;傳導也是要通過多層導熱物質(zhì)、多層界面,截面積通常又是不等的,導致熱流線分布的情況很難在計算之前就能通過分析得到。 由于燈具是在開啟后逐漸升溫,最后達到熱穩(wěn)定狀態(tài),也就是說,熱穩(wěn)定狀態(tài)時各點的溫度最高,所以燈具的散熱計算一般只考慮穩(wěn)態(tài)的情況,瞬態(tài)的溫度分布情況并不重要。對于穩(wěn)態(tài)含熱源在各向同性的單一介質(zhì)中的導熱服從Poisson方程[1]: 式中為介質(zhì)的導熱系數(shù),q為熱源的發(fā)熱功率。 由于燈具的結構是多種介質(zhì),所以在實際計算中,必須對每一種介質(zhì)逐一求解上式,計算燈具內(nèi)的溫度場分布是十分困難,而且是沒有必要的。實際上,我們所關心的是某些部位的溫度是否在可以容忍的溫度范圍之內(nèi),只要計算出這些部位在達到熱穩(wěn)定時的溫度即可。 本文對效等電路的熱阻算法進行了探討,熱阻算法的好處是無需知道確切的環(huán)境溫度,也不必求解燈具內(nèi)的溫度場,直接計算燈具內(nèi)關注點的溫升,困難是熱流線的分布必須通過分析而不是計算得到,而這一過程往往又是很復雜的。 下面以一個實例的計算來說明等效電路的熱阻算法。 燈具要求的基本結構如下圖,LED 處于密閉的塑膠外殼內(nèi),右側的絕熱層較厚,比較起其他部分導熱,其導熱基本可以忽略不計,熱量主要通過支撐架、塑膠外殼、橡膠外套, 然后通過外部空氣對流散到空氣中。 1.簡化模型: ?。?) 鋁基板視為一個等溫熱源; ?。?) 支撐板與與鋁基板之間有一個附加導熱層; ?。?) 由于塑膠的熱導率比空氣的熱導率高得多,所以,空氣的導熱可以忽略不計; ?。?) 支撐板與塑膠外殼之間有一層附加導熱層 (5) 塑膠外殼與橡膠外皮之間為緊密接觸 ?。?) 鋁基板與外殼之間的對流導熱可以忽略不計[2] 所以總熱阻: R=R1+R2+R3+R4+R5+R6 其中 R1 為支撐板與鋁基板之間的附加導熱層的熱阻; R2 為支撐板的熱阻; R3 為散熱板與塑膠外殼之間的附加導熱層的熱阻; R4 塑膠外殼的熱阻; R5 為橡膠外皮的熱阻; R6 為橡膠外皮處于空氣中對流換熱的熱阻[1]。 2.計算 下面分別計算各部分熱阻: 上述各式中, ki(i=1,2,3,4,5)為各介質(zhì)的導熱系數(shù); Ai(i=1,2,3,4,5)為各介質(zhì)的導熱等效截面積; di(i=1,2,3,4,5)為各介質(zhì)的導熱長度; 上式中, 為平均換熱系數(shù); L 為定性長度,在大圓柱對流換熱情況下,通常取圓柱直徑; GrL和Pr分別為無量綱的格拉曉夫數(shù)和普朗特數(shù),不同情況下的數(shù)值可以查表獲得; C 為適配系數(shù),在層流的情況下通常取0.53~0.54; A6為對流換熱的有效面積; k6為空氣的導熱系數(shù)。 于是總熱阻為 R=R1+R2+R3+R4+R5+R6=86.37(W/K) LED約有1W的功率變成熱量則鋁基板的溫升為: ΔT=(T2-T1)=qR=86.37 (K) 其中T2為鋁基板溫度,T1為環(huán)境溫度。 若環(huán)境溫度為40℃,則鋁基板的溫度將要達到126℃,此時LED的結溫達到166℃,根據(jù)Lumileds公司的“Luxeon Reliability”一文中介紹,Luxeon LED的失效與溫度的關系為: 這樣高的溫度Luxeon的失效幾率比結溫120℃時失效幾率大92854倍,接近10萬倍。這種溫度下運行可靠性很差,所以這種導熱結構不可行。從各個熱阻分量看,主要的熱阻是支撐板的傳導熱阻,改進必須是針對它的結構改進。 若采用另一種熱傳導結構,取消塑膠的支撐架,換成0.3mm厚的電解銅散熱板,如下圖: 其它部分不變,電解銅散熱板的熱阻為: 電解銅散熱板的折邊有6mm,這部分的等效熱阻為: 于是,總熱阻變?yōu)椋? 若環(huán)境溫度為40℃,則鋁基板的溫度將要達到64.6℃,此時LED的結溫達到104.6℃,從理論上說,這種熱傳導結構是可行的。 下表是兩種結構溫度試驗與理論計算結果對照 3.討論 從上面計算可以看出,采用等效于電路的熱阻計算法,選取合適的簡化模型,對于不同熱傳導結構中,溫度關注點的溫升進行計算,可以在開模具之前判斷熱傳導結構的優(yōu)劣,同時可以根據(jù)各部分熱阻的計算結果判斷主要的結構改進方向,這對于指導和改進結構設計具有實際的意義。- 配套講稿:
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