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LED灯具散热建模仿真关键问题研究

2013-10-19 00:01
路过的码农
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  1.2 重力方向

  热量具有与重力反方向的传递趋势,图4所示为5WHLA60LED球泡灯采用三种不同安装方式的温度仿真分析效果。从图中可以发现灯具温度场因重力方向不同而发生了明显的变化。因此在仿真过程中,要明确LED灯具的安装位置和方式。

LED灯具散热建模仿真关键问题研究

  2 热阻

  热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力,可通过材料导热系数(K)来计算:

LED灯具散热建模仿真关键问题研究

  式中,犔表示热通道路径的长度,犃表示热通道有效横截面积。

  热阻分为导热热阻和接触热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方式传递时,遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触固体的交界面时,界面本身对热流呈现出明显的热阻,称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是,任何表面接触良好的两物体,实际接触面积只是交界面的一部分,其余部分都是缝隙,热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递,而它们的传热能力远不及一般的固体材料。

  对于部分热通道材料层因其厚度很小,在建模过程中可不体现出来,而采用等效面接触热阻替代,便于散热建模CFD仿真分析。例如:

  (1) 采用回流焊工艺将LED光源焊接到铝基板上,LED光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流焊层的主要材料成分为锡(96%),厚度一般为0.1~0.15mm,导热系数为60W/(K·m)。

  (2) 如图5,铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成,导电层厚度微小、导热率好,因此可忽略不计;主要热阻由导热绝缘层决定,导热绝缘层厚度小、导热率差,而金属基层厚度大、导热好,若二者按同一材料体设置,仿真结果将会出现较大偏差。

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  铝基板绝缘层与回流焊锡层的热阻进行换算成一等效热阻R等效,计算公式如下:

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  进一步,R等效可用等效导热系数狉等效来表示,而狉等效可按下式计算:

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  式中,ri为各层材料导热系数,hi为各通道厚度。

  文中灯具采用贝格斯铝基板(绝缘层厚度0.076mm、导热系数1W/(K·m)),则等效导热系数K等效为2.88W/(K·m),厚度为0.226mm.

  (3) 铝基板通过导热硅脂或硅胶垫片与散热器连接,此通道层设置成面接触热阻,厚度为0.5mm、导热系数为1.5W/(K·m)即可。不同的粘结层材料厚度和导热系数都会对LED工作温度产生影响,如图6和图7所示。

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