1、 1 华侨大学 毕业设计（论文） 题目 ： 基于烟囱效应的 LED 散热器设计 Topic ： Chimney effect of LED heat sink design is based on 学 院 信息科学与工程学院 年级专业 2010级电子科学与技术 B 班 学生姓名 学 号 指导教师 完 成 日 期 2014 年 5 月 2 基于烟囱效应的 LED 散热器设计 摘要 在我国照明耗电中，城市公共照明占 30%，每年支出 285 亿。半导体光源具有节能，寿命长等优点，若将其广泛用于城市公共照明，可节省大量能源， LED 照明由于其节电、环保、长寿命，而被公认为下一带照明技术，将取代现有
2、的各种照明技术【 1】。 LED 为冷光源，怕热，有 80之多的电能转化为热能，必须有散热措施，虽然 LED 发光技术已 有飞跃发展，有每瓦发光达 200lm 的报导，但 LED 散热却是 LED 照明中的大问题，但又还没得到有效解决的问题，成了 LED 照明灯普及发展道路上的拦路虎，在自然对流散热器中，可以增加散热表面积和提高气体流速来增强自然对流热交换，在散热器中，引入轻质的烟囱结构，就可以引入烟囱效应，从而提高气体流速，增强散热器自然对流的热交换能力，同时烟囱效应结构，也能减轻散热器的重量【 2】。本文针对基于烟囱效应的 LED 散热问题做以下研究：首先引入LED 灯具设计仿真软件 So
3、lid-works，对悬吊式 LED 灯具进行设计，然后利用 Solid-works中的流体散热仿真模块 flow simulation 对 LED 灯具进行仿真，从 LED 温度剖面图获得温度参数，及温度的变化情况，再将 LED 灯具再设计，模拟出烟囱效应需要的模型，再次热学仿真，获得温度参数，最后对比两次温度测试结果，得出结论。 关键字 LED 散热 烟囱效应 Solid-works 3 Chimney effect of LED heat sink design is based on Abstract In our lighting consumption in urban publi
4、c lighting accounts for 30% of annual spending 28.5 billion . Semiconductor light source with energy saving, long life and other advantages , if it is widely used in urban public lighting , can save a lot of energy , LED lighting because of its energy-saving , environmental protection, long life, an
5、d is recognized as the next area of lighting technology , will replace the existing various lighting technologies【 1】 . LED is cold light , heat intolerance, there are as many as 80% of energy is converted into heat , there must be cooling measures , although the LED light technology has been rapid
6、development , has reached 200lm per watt luminous coverage , but the heat is LED LED lighting the big problem, but the problem has not been effectively addressed , the popularity of LED lighting has become the stumbling block on the road to development , the natural convection radiator , you can inc
7、rease the cooling surface area and increasing gas flow rate to enhance the natural convection heat exchange in the heat vessel , introducing lightweight chimney , the chimney effect can be introduced to improve the gas flow rate, natural convection heat sink to enhance heat exchange capacity , while
8、 the structure of the chimney effect , can also reduce the weight of the radiator【 2】 . In this paper, do the following research questions for the LED -based thermal chimney effect : first to introduce LED lighting design simulation software Solid-works, for suspended LED luminaire design, and then
9、use Solid-works in thermal simulation of fluid flow simulation module for LED luminaire simulation, LED temperature profile obtained from the temperature parameter , and changes in temperature, then the LED lighting redesign the model to simulate the chimney effect needed thermal simulation again ,
10、get the temperature parameters, and finally compare the two temperature test results, obtained Conclusion . Keywords LED cooling chimney effect Solid-works 4 目 录 摘要 2 第 一 章 、 绪论 5 第二章、 LED 概述 6 （一） LED 发展面临的问题 6 （二） LED 芯片温升的原因 6 （三）温度对 LED 芯片的影响 7 （四） LED 散热研究进展 8 （五）烟囱效应 9 第 三章 、 LED 灯 具 的 设 计 9 （
11、一） Solidworks 的介绍 9 （二）基于 Solidworks 的灯具设计 9 （三） Flow simulation 11 （四）灯具热学仿真 11 第四章、 LED 灯具烟囱设计及热学仿 真 13 （一） LED 灯具烟囱设计 13 （二） LED 灯具烟囱热学仿真 15 第五章、 LED 灯具散热比对 17 总结 17 参考文献 18 5 致谢 19 第一章、绪论 节约能源是人类生存和发展所必需的重要内容 ,中国是一个人口众多的能源消耗大 ,资源严重短缺的国家。 2010 年中国的石油消耗量为 2.46 亿吨 2010 年天然气消耗量为 1114 亿立方米 ,因此节能减排作为一
12、个重要政策一直受 到国家的重视。从 1980 年开始 ,原国家计委、经委组织就实行五年节能规划和年度节能计划 ,并把节能计划纳入国民经济规划。 2007 年 10月中国通过了中华人民共和国节约能源法 ,进一步完善了我国节能制度，电力资源是二次能源 ,主要依靠水力发电、风力发电、火力发电等方式获得 ,其中火力发电占所有电力资源的 75%,因此减少电能的消耗 ,是节约能源和减少污染的重要途径。根据中国电联数据显示我国 2010年的发电量为 41923亿千瓦时 ,消耗煤约 16.6亿吨 ;而照明用电约占电力资源的 12%,折合人民币为 5030. 76 亿元 ,所以照 明的节能是电力行业节能的一个重
13、要环节。我国现有的照明用主要是白炽灯 ,2010 年中国的白识灯产量与国内销售量分别为 38. 5 亿只和 10. 7 亿只 ,然而其电光转换效率不足 10%,造成了电力能源的极大浪费。目前世界上约 0.72%的 GDP用于光照明。根据 IEA 和 OECD 在 2006 报告显示 ,世界照明消耗电能约占总的电量的 19%,约占二氧化碳排放量的因此寻找高效、节能的照明灯具是节约电力资源的重要途径。日本在1997年对白光 LED进行进一步的研究 ,并期待在不久的将来将 LED固态光源替代现有的白织灯和炎光灯。研究发现当 LED 能达到 120lm/W 时 ,日本每年可以节约 2.6亿 KW/h
14、的电能 ,这相当于 630000kL原油 ,也相当于日本每年家庭耗电量的 1.1%,节约能源耗费约 50. 5亿日元。日本将太阳能灯应用于街道照明 ,50W 的 LED 灯可以提供原有 200W 未灯的光亮度 ,每盖灯每年可以减少 10.4 吨的二氧化碳排放量。研究发现在日本 ,如果将现有的交通信号灯用 LED灯来替代 ,每年可以节约 830 万度电 ,这相当于 200000kL 的原油消耗量。随着 LED 研究发展 ,LED 在我国隧道照明、烟草行业、街道照明、室内照明灯各个领域得到了广泛的应用。贺晓利研究表明 ,在同样长度的两个隧道分别安装高压钠灯和 LED 灯具 ,进行节能对比 ,虽然L
15、ED 灯具的成本价格比高压钠灯的要高 ,但是在相同的照明强度下 ,LED 灯具比高压钠灯每年节省电量为 201079度 ,按照电费 0.8元 /度计算 ,每年可以节省电费为 160862.8元 ,节能效率高达 53.14%【 3】。 随着我国经济的发展 ,我国的公路交通建设也得到了高速的发展 ,全国新建的公路险道逐年增加。截止 2009 年底 ,我国修建的公路险道共计 6139 处 ,总长度达到 3942KM。随着公路的建设发展 ,我国每年公路照明投入的费用也不断增加 ,特别是随道照明用电量大 ,所需要的费用庞大。【 4】为了回应国家的节能减排政策 ,釆用节能、环保、可靠的照明灯具成为未来道路
16、照明的一种必然选择。目前我国的险道照明主要釆用传统的高压钠灯照明 ,耗电量大 ,严重浪费资源 ,同时也造成了环境的污染。根据资料估计如果大庆到广州的高速公路利用LED照明灯具替代现有的高压钠灯 ,20年内可以节省照明所用的电费约 5亿元以上 ,节省照明设备维修费用约 1 亿以上。由此可见利用 LED 最为未来的照明工具 ,在公路照明中具有巨大的潜力。 LED 照明由于其节电、环保、长寿命，而被公认为下一带照明技术 ，将取代现有的各种照明技术。 LED 为冷光源，怕热，有 80之多的电能转化为热能，必须有散热措施，虽然LED 发光技术已有飞跃发展，有每瓦发光达 200lm 的报导，但 LED 散
17、热却是 LED 照明中的大问题，但又还没得到有效解决的问题，成了 LED 照明灯普及发展道路上的拦路虎，在自然对流散热器中，可以增加散热表面积和提高气体流速来增强自然对流热交换，在散热器中，引6 入轻质的烟囱结构，就可以引入烟囱效应，从而提高气体流速，增强散热器自然对流的热交换能力，同时烟囱效应结构，也能减轻散热器的重量。 LED 作为一种新型的照明技术，其 应用前景举世瞩目，针对 LED 器件热设计，国内外的 LED 器件设计人员和制作商分别在结构，材料以及工艺等方面对 LED 热设计进行系统优化【 5】，例如，在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等
18、；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂【 6】，目前国内外广泛使用的大功率 LED散热器产品：例如，型材散热器、风扇散热器，热管散热器、热柱散热器等产品及其技术特点与缺陷，其他新颖的强化散热技术【 7】。 第二章、 LED 概述 （一）、 LED 发展面临的问题 由 于目前 LED 技术的限制 ,输入的电功率只有约 15-25%的电光转换效率 ,其余的输入电功率则都转换为了热量 ,与传统的光源不同 ,LED 光源不包括红外部分 ,所以不能依靠红外辐射释放。热量集中在 LED 芯片上 ,芯片的面积一般在 1mmX 1mm 2.15mmX2.15mm 范围内 ,热流
19、密度可以高达 100W/cm2 以上致使 LED 结温上升。 LED 发光的效率与其工作的温度成反比 ,结点温度每升高 1crc,光衰就会减半 ,寿命也减半 ,同时也会导致芯片发射波长漂移 ,降低发光的效率【 8】。 LED 芯片本身的散热的能力有限 ,集中 LED 芯片上的 热量只能通过热传导的方式传递给外部的散热热沉 ,再通过热沉的辖射传热、对流传热方式将热量传递到周围的环境空气中 ,使得 LED 芯片维持在一个较低的水平 ,保证其能稳定可靠的工作。目前大功率 LED照明的热量管理问题是 LED商业化的一个重要障碍 ,因此 ,如何高效的将 LED的芯片产生的热量转移到环境空气中 ,成为制约
20、 LED广泛应用于普通照明的关键技术瓶颈之一目前制约 LED推广应用的另外一个重要因素就是 LED 价格。与传统的替通照明相比 ,LED 照明价格要比普通照明价格要高 4-8倍。例如 ,一套高压钠灯灯具的价格为 1200-1500元 ,而目前的 LED灯具 ,按照功率大小不同价格相差加大 ,价格约在 4000-8000 元。按照 LED 节能 30%计算 ,如果要回收灯具的成本 ,也需要若干年的时间。又如要生产 1000lm 的光通量 ,白识灯的成本小于 5 元 ,紧凑型突光灯的成本小于 10 元 ,而对于 LED 照明来说 ,需要使用 10 颗大功率 LED,成本超出了 100 元，马来西亚
21、槟州政府曾在 2010 年因为 LED 照明费用过高 ,而将 LED 路灯计划往后搁置。因此 ,LED 照明过高的成本投入 ,也成为了 LED 广泛应用的一个技术瓶颈。 （二）、 LED 芯片温升的原因 LED 芯片的 基本结构是一个半导体 PN 结。实验证明当 LED 芯片有电流流过的情况下 ,LED 的 PN 结温度将会上升 ,其主要原因是由于加载在 LED 芯片的功率没有全部转化为光能 ,其中约 80-90%电能转换为热量 ,从而导致了 LED 芯片结温上升【 9】。具体的原因包括以下四个方面 : 量子效率低 :由 LED的发光原理知道 ,LED的 PN结在外部电压条件下 ,N区的电子流
22、向 P区 ,电子与空穴复合产生光子。在正常的情况下 ,由于 PN 结不可能极端完美 ,组件的注入效率不能达到 100%,通常称为“电流泄露” ,造成 PN 区的载流子的复合效率降低。泄露电流与电压的乘积就是 LED 芯片转为热量的功率。目前利用先进的外延技术生产 In-Gan 合金的 LED芯片 ,其内量子效率可以达到 90-100%。【 10】实验研究发现 :LED 灯的发光效率随功率的增加而下降主要是由于芯片的温度升高及电流泄露而造成 ;LED 结温上升 ,增加了 PN 结载流子非辐射复合几率 ,因此辐射复合几率下降 ,所以随着功率增加 ,LED 的发光效率下降。 出光效率低 :实践证明
23、LED的出光效率低是造成 LED芯片温度上升的主要原因。目前 LED7 的外量子效率一般只有 30%左右 ,由于 LED 芯片材料的折射系数比周围的介质的大得多 ,PN结福射复合产生的光子大部分无法顺利溢出 ,在 PN 结内部经过多次反射后被衬底材料或者芯片材料吸收 ,最后都转换为热量 ,促使结温升高。 不良元件电极结构由于元件材料如 :衬底材料、 PN 结半导体材料以及导电银胶材料等都具有电阻 ,当 LED 在工作的状态下 ,电流流过这些元件材料时就会产生一定的焦耳热 ,热量的大小可以用焦耳定律进行计算 ,与电流值的平方、串联电阻值以及时间成正比 ,产生的热量引起了 LED 芯片的结点温度上
24、升。 LED 元件的散热能力 :LED 元件的散热能力强 ,结点的温度可以控制在较低的水平 ,如果散热能力差 ,结点的温 度则可能超过正常的工作温度要求。由于环氧树脂的导热系数较小 ,LED 芯片的产生的热量很难通过透明的环氧树脂传递到周围空气中 ,因此热量传递的途径是通过衬底材料、银架材料、管壳、环氧粘合层、 PCB 板与热衬底材料向散热器方向传递 ,最后通过散热器的表面将热量散发到环境空气中。所以热量传递过程中各环节材料的导热系数、散热器与环境换热能力都对 LED 结温有影响【 11】。 （三）、温度对 LED 芯片性能的影响 如前面所述 ,LED 照明输入的电功率只有约 10-15%转换
25、为光 ,其余则转换为热能。一般地 ,LED 芯片产生的热量需要通过 外部散热器散发到环境空气中 ,如果产生的热量无法顺利转移将会导致以下几个问题【 12】 : 光通量下降：实验研究表明 :LED 结温的上升对蓝色光、黄色光、绿光的 LED 光输出强度均有明显的影响。金尚忠等利用实验研究了白光 LED 照明光源显色指数、发光效率、色坐标、色温和与驱动电流等因素与温度的关系 ,实验结果表明结点温度升髙 ,LED 的发光效率明显下降 ,其原因是由于温度上升 ,光波中的蓝波波峰长移 ,焚光粉波峰变平坦而劣化导致。 器件性能衰变：在高温度的条件下 ,LED 照明光输出特性可能会导致一种永久性的不可恢复的
26、变化。表 1 是大 功率 LED 的结温与亮度衰减至 70%时的寿命关系。髙温下 LED 性能不可恢复的衰变的原因主要有两个方面 :一是高温条件下 ,材料内部发光区晶体的缺陷增殖、繁衍 ,非辖射复合中心数量增加 ,导致器件的注入效率和发光效率严重降低 ;另一方面是杂质在发光区扩散 ,形成的深能级数量增加 ,从而导致器件的性能衰变。其次 ,在高温下 ,环氧树脂材料发生变性的膨胀与收缩 ,在芯片电路板与引线之间产生额外的压力 ,造成 LED 芯片过度疲劳甚至是脱落 ,影响 LED 的工作性能与稳定性。 LED 发光波长变化： LED 照明发出的光波长一般可以分为两类 ,即主波长和 峰值波长。主波长
27、反映的是人所感知的颜色 ,而峰值波长则是光强最大的波长。因此 LED 芯片结温上升导致的 LED 光源发出的光波长发生变化 ,直接影响了人们对光的感受。研究表明 ,白色光 LED器件 ,在结点温度上升的情况下 ,主波长向长波方向移动 ,统计数据显示 ,LED 器件的波长在结点温度为 10 时将发生红移 4-9min,最终导致光的输出通量减少 ,焚光粉的吸收效率下降。 结温 Ti/ C 寿命 /h 结温 Ti/ C 寿命 /h 25 234000 85 29500 30 191000 90 25700 35 157000 95 22300 40 129000 100 19500 45 10700
28、0 105 17100 50 90000 110 15100 8 55 75000 115 13300 60 64000 120 11700 65 54000 125 10500 70 46000 130 9300 75 39000 130 7500 80 34000 150 6000 表 1 大功率 LED 的结温与亮度衰减至 70%时的寿命关系 正向电压发生变化： LED 的正向电压作为判断 LED 性能的一个重要参数 ,其数值主要取决于器件的成结合电极制作工艺、芯片的尺寸和半导体材料的特性。正向电压随着结点温度的升高而下降 ,在较低的结点温度下 ,这种变化是可逆的 ,但是芯片结点的温度过
29、高时 ,在 PN结结区晶体缺陷繁殖 ,杂质扩散加剧 ,增加了额外的复合电流 ,最终造成正向电压下降 ,在恒定电压的情况下 ,结点温升效应与电流增加之间会形成的恶性循环 ,最终导致 LED 器件的损坏。 （四）、 LED 散热研究进展 LED是一种注入式电致发光半导体器件 ,在外部电压输入的条件下 ,N区的 电子流向 P区 ,电子与空穴发生复合产生光子 ,产生的光谱中不含有红外光 ,因此 LED 芯 片结区产生的热量不能依靠产生的光辐射带走 ,故将 LED 称为冷光源。在外部电压作用的条件下 ,只有约 15-20%的输入电功率转化为可见光 ,其余的输入功率则转为热量。为了保证 LED 照明器件使
30、用寿命与正常工作 ,通常要求将 LED 的 PN 结的温度控制 12 以下。如前面所述 ,如果结点温度过高将会导致光通量下降 ,波长发生红移 ,器件的寿命减少等问题。目前随着 LED 技术的发展 ,单片芯片的功率由原来的 0.1W 增加到了 1W 甚至几瓦、几十瓦 ,相应的热流密度 也大大增加 ,因此也销加了 LED 照明热设计的难度 ,使得 LED 散热设计成为了制约 LED 照明推广应用的一个技术瓶颈之一，也是国内外一直关注与研究的热点课题之一。 人类对传热的研究已有上百年的历史，传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计
31、算机中的 CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。而是另起炉灶，创造出不少新名词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”等听起来不知是什么意思， 英文“ Sink”在传热学及技术中也是非常罕见的名词【 13】。 从传热学和技术来谈， LED 散热并非复杂，只涉及到传热学中非常小的部分：导热传热和对流传热（主要是空气自然对流传热），其中导热传热就可利用现成的传热计算机软件，得到非常准确的解，比如分析 LED 封装芯片内的温度分布（传热过程）；分析从 LED 芯片到散热肋片的内部温度分布。但是应特别注意，对于对流传热，凡涉及到空气
32、流动，必须通过大量的实验研究，而用电脑软件计算，只有学术上的意义，没有实际工程意义，因为误差太大。导致 LED 散热简单问题被复杂化的原因有：知识 断层，拥有成熟的传热知识的人员参于到 LED 散热研究的甚少，缺乏专业的 LED 散热研究机构，给行业内明确正确的指导思想。目前行业内从业的专业散热技术人员，许多是从计算机散热方面转过来的，自然地将那方面常用的技术以及商业行为带过来，比如，热管技术，被大量应用到大功率 LED 照明灯（比如路灯）中，给那些原来为计算机芯片散热器服务的热管厂商创造了新的商机。甚至还有提出采用回流式热管。 自然对流散热原理及优化：散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动
33、（对流）将热量带走，散热片的辐射传热所占的分量非常低，因而不于考虑。自然 对流传热过程中，驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力，降低流动阻力系数，能有效降低流动阻力。当散热片的肋片，上下竖立设置，空气由下向上直接穿过散热片时，低温9 空气直接进入散热肋片有利于对流传热，空气的流动方向与浮力方向一致，阻力最小。 针对 LED 存在的热问题，国内外的研究者和制造者在结构、材料及制造工艺等方面对 LED 的散热系统进行了设计和优化。他们解决方案的思路可以分为两方面：一方面是从减少 LED 热量产生的来源出发，通过提高器件内量子效率进而提高 LED 的出光效率，减少电能转化为热
34、能，进而解决 LED 散热问题；另一方面是通过对 LED 器件及灯具的散热设计，在封装材料或者封装方式上做出改变，达到减小封装热阻的目的，并且通过配置合适的散热器解决散热问题【 14】。不过由于技术的原因，第一种思路在理论上可以实现，现实研究和商业应用中主要以第二种思路为主。合理的散热设计，是解决目前 LED 散热问题的主导思路，这种设计一般分为封装级散热和灯具级散热。 （五）、烟囱效应 建筑物或型材的结构尺寸、布置方式，往往会形成一种自抽风现象，即“烟囱效应”。对于高层建筑，内部楼梯、电梯，空调通 风流道等部位，烟囱效应较强烈，这是火灾发生时难以控制和扑灭的主要原因之一【 15】。烟囱效应不
35、仅存在于高层建筑物中，只要结构设计合理都会具有该效应，这一点作用在自然对流散热的电子元件肋片式散热器上，会较大程度提高散热器的传热系数，改善散热性能。 流体由于受热不同等原因，不同层面上的流体会存在密度差异，引起流体由高密度区流向低密度区的流动。烟囱效应是基于流道内部密度的差异而产生内外压差作用，结合流体的自身浮力作用共同决定流体的流动状况，由于热源的位置不同，两种作用此消彼长【 16】。 目前烟囱效应的研究，主要集中 在高层建筑物火灾、高山及隧道领域。但将烟囱效应应用于小型散热器上的研究目前比较少，本文主要是运用数值模拟的方法，研究简化模型的宽、高及热流密度变化引起的烟囱效应，并分析和研究达
36、到最佳烟囱效应时模型的宽、高及热流密度的变化关系，以此来指导自然对流散热器的结构设计。 第三章、 LED 灯具的设计 （一）、 Solid-works 的介绍 Solid-works是一款基于 3D设计，并对设计进行仿真模拟的主流 CAD软件， Solid-works可提供的不同设计方案，减少设计过程中的错误，对不合实际情况的进行纠正，以及提高 产品质量，在此基础之上，还可以插入各类插件，例如 flow simulation（流体模拟分析），simulation（模拟分析）等， Solid-works 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 （二）、基于
37、 Solid-works 的灯具设计 利用 Solid-works 对 LED 灯具进行设计是本次研究的开始。 首先，打开 Solid-works 软件，新建一个 3D 项目，然后绘制草图，上口径设置为半径40mm，下部半径为 50mm，用样条曲线将上下面连接，再用利用旋转凸台功 能做出 LED 的大致模型。 然后，对 LED 模型进行抽壳处理，抽壳厚度设置为 5mm，使得 LED 模型具有薄壁，用于后面的仿真。 接着，在 LED 底部做出将要赋予 LED 芯片的模型，利用旋转整列轴对称为 6 个圆形凸出面。如下图所示： 10 图 1 LED 灯具的初步模型正视图 图 2 LED 灯具初步模型下视图 图 3 LED 灯具初步模型上视图
