大功率LED三维相变热沉设计及优化

作为第四代照明光源,LED(Light Emitting Diode)具有体积小、耗电量低、使用寿命长、环保等优势。理论上可以取代传统节能灯与白炽灯,解决能源短缺问题,但在实际应用中却存在着散热问题,由此导致LED并没有完全取代传统照明产品。本文首先对限制LED进入通用照明市场的主要原因进行了相关调研,结果表明,现阶段LED发光效率较低,约为20%~30%,且大部分能量转化为热能。随着LED工作时间增加,LED结温不断攀升,会产生诸如光偏、寿命低、发光效率低等不利影响,对LED进行有效的热管理成为加快LED进入通用照明市场的最佳办法。本文结合实验测试和仿真模拟对LED产热进行了相关分析,并设计了一种大功率LED三维相变热沉。本文创新点及主要内容如下:1、本文创新点本文创新点主要体现在三个方面:一是将相变技术应用在LED热沉中,并证明在散热过程中应用相变技术能够减小传输过程中热阻;二是基于相变技术,应用重力热管工作原理设计了一种原理简单,成本低廉的三维相变热沉,且适用于当前市面的一般大功率LED灯具;三是为三维相变热沉结构优化提供了理论依据。2、LED产热分析针对大功率阵列式LED与大功率集成式LED灯具热流密度不同的特性,以数值模拟和实验方法开展研究,分析得出:一是使用热沉能够大大降低LED的结温,且LED结温随热沉高度的增加而逐渐降低;二是随着热沉高度的增加,降低结温的效果在减弱,但热沉的质量和成本却随热沉高度的增加而线性增加。故而,实际设计生产过程中并不是热沉高度越高,所取得的散热效果越好。3、大功率LED三维相变热沉设计及优化基于上述结论,本文设计了一种大功率LED三维相变热沉。通过仿真模拟,对设计的三维相变热沉进行了研究,结果表明相变散热器相较于传统固体散热器优势明显,且随LED功率增加优势更为显著。进一步定量分析影响传热效果的因素:热沉材料、热沉散热面积和空气对流换热系数,结果表明在LED热沉的生产过程中,热沉散热面积和空气对流换热系数对热沉热阻影响较为明显,而热沉材料则可以选择成本较为低廉的材料。