大功率LED灯具散热结构研究

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随着绿色照明事业的不断推进,寻求高效、节能、无污染的新型光源成为近年来照明行业的主要任务。LED作为第四代照明光源,具有高亮度、低消耗、高可靠性、寿命长等优点,在人们对照明需求不断扩大的今天其应用越来越广泛。不断增大单颗LED灯的功率已成为满足人们对灯具亮度需求的主要方法。随着功率的不断增大,LED灯的结温不断升高,LED的散热问题已经成为制约LED产业发展的瓶颈,所以提升光通量、降低结温是延长LED寿命、推动LED产业发展的有效途径。本文以吉林省重大专项课题为依托,针对大功率LED灯具的散热问题进行研究,通过对灯具的对比分析研究出有效的散热装置,主要工作如下:(1)论文介绍了选题的背景意义、LED的发光原理和国内外发展现状,直观地展示了LED的发展前景。针对本文将要研究的散热问题,对LED照明灯进行了热学理论分析,分别介绍了LED灯的传热方式、散热方法和有限元软件ABAQUS的温度场模拟过程,分析了传热过程的有限元理论,并用热电模拟法模拟了LED灯的传热路径,为后续的热阻计算做准备。(2)论文在理论分析的基础上,对与吉林省恒光科技有限公司共同开发研制的三种大功率LED照明灯具进行了试制模拟。具体过程为:对已开发灯具进行调试,在室温环境下用热电偶测量仪测量灯具各个位置的温度;利用AUTOCAD建立灯具二维简化模型,利用UG和ABAQUS/CAE建立灯具三维简化模型,并导入ABAQUS进行温度场的模拟,得到灯具温度云图和温度梯度图。通过计算翅片效率和灯具热阻可知,翅片型散热器是有效的散热设备,其他条件相同时,翅片效率和翅片的高度成反比;粘结材料的热阻占灯具热阻的比例很大,寻求热导率大的粘结材料是减小热阻、加快散热的有效方式。(3)针对翅片型散热器的成型问题,论文简要讲述了翅片的制造方法,着重讲述了目前生产中常用的挤压生产过程,并从挤压设备、挤压模具设计和挤压速度三个方面进行论述。(4)论文对翅片型灯具和水冷型灯具分别进行了模拟分析,并在此基础上将三种灯具进行了对比,得出结论:水冷灯2是最为有效的散热装置,水在系统散热中起关键作用。论文在大量温度测试和模拟的基础上,将翅片型大功率LED灯具和水冷型大功率LED灯具在散热方式、散热路径和散热效果等方面进行了对比分析,总结了实验得出的结论,并指出实验和模拟过程中需要改进的地方,为大功率LED灯具散热问题的后续研究提供了理论和实践基础。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-7页
第1章 绪论第11-17页
    1.1 选题背景和意义第11-12页
        1.1.1 课题来源第11-12页
        1.1.2 课题研究的意义第12页
    1.2 国内外研究发展现状第12-16页
        1.2.1 世界主要国家和地区 LED 发展概述第13-14页
        1.2.2 我国的研究发展现状第14-16页
    1.3 本文主要研究内容第16-17页
第2章 LED 概述及热分析理论第17-31页
    2.1 LED 概述第17-19页
        2.1.1 LED 的基本结构第17-18页
        2.1.2 LED 的发光原理第18页
        2.1.3 LED 的技术参数第18-19页
    2.2 传热学基础理论第19-22页
        2.2.1 热传导第19-20页
        2.2.2 热对流第20-22页
        2.2.3 热辐射第22页
    2.3 传热过程的有限元分析第22-23页
        2.3.1 传热过程基本方程第22-23页
        2.3.2 稳态传热过程的有限元分析列式第23页
    2.4 LED 散热方法第23-27页
        2.4.1 风冷第24-25页
        2.4.2 水冷第25页
        2.4.3 热管技术第25-26页
        2.4.4 热电制冷第26-27页
    2.5 热阻网络模型第27-29页
        2.5.1 热电模拟法第27-28页
        2.5.2 多芯片 LED 集成封装的等效热路模型第28-29页
    2.6 关于 ABAQUS第29-31页
        2.6.1 ABAQUS 软件简介第29页
        2.6.2 ABAQUS 温度场模拟分析过程第29-31页
第3章 翅片型大功率 LED 灯具散热装置研究第31-55页
    3.1 翅片的导热及翅片效率第31-34页
        3.1.1 翅片导热的微分方程第31-33页
        3.1.2 翅片的效率第33-34页
    3.2 翅片型大功率 LED 灯具试制及模拟第34-42页
        3.2.1 试制灯具简介第34-35页
        3.2.2 灯具参数第35页
        3.2.3 灯具温度测试第35-37页
        3.2.4 基于 ABAQUS 的温度仿真第37-40页
        3.2.5 实验分析第40-42页
    3.3 灯具热阻计算及分析第42-45页
    3.4 翅片成型方法第45-54页
        3.4.1 翅片制造方法第46-48页
        3.4.2 翅片型散热器的挤压生产第48-54页
    3.5 本章小结第54-55页
第4章 水冷型大功率 LED 灯具散热装置研究第55-71页
    4.1 水冷型大功率 LED 灯具试制及模拟第55-63页
        4.1.1 试制灯具简介第55-57页
        4.1.2 灯具参数第57-58页
        4.1.3 灯具温度测试第58-59页
        4.1.4 基于 ABAQUS 的温度仿真第59-62页
        4.1.5 实验分析第62-63页
    4.2 翅片型灯具与水冷型灯具的对比分析第63-68页
    4.3 本章小结第68-71页
第5章 结论与展望第71-73页
参考文献第73-79页
致谢第79页
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