热仿真技术在LED照明产品设计中的应用Word文件下载.doc

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前言

随着高光通量LED在照明领域的逐渐推广，单个产品的功率越来越大，这对产品的热设计提出了很高的要求，高光通量LED应用的瓶颈之一即是散热问题，如果散热问题得到合理的解决，LED的应用范围将会更广。

传统的散热设计依靠手工计算，设计方法过于简单而且耗时，结果也很难满足设计要求，在产品设计周期日益缩短的市场环境下，已经不能适应现代化产品的设计要求。

在激烈的竞争压力下，企业迫切需要可靠性高、成本低且周期短的设计方法。

计算机辅助工程（CAE）的引入有效地缩短了新产品的研发周期。

例如在热学设计方面，在产品设计之初即将设计模型引入CAE软件中，在边界上施加与实际大致相符的边界条件，计算其温度场的分布，以此来对不同的方案进行选择。

这种虚拟的方法相当于用计算机来做热试验，并且具备快速、直观的特点，可以提供更多的数据，为产品的优化设计提供必要的支持。

本文以一个实例介绍利用热仿真技术对产品的设计进行仿真分析，通过分析比较挑选出适合设计方案的整个过程。

1产品的设计方案

本案例是依据客户要求，设计一款3W射灯，体积有一定的限制，30℃环境温度下使用，表面温度不超过55℃。

由于对体积有限制，经过多次论证，

确定有三种设计选择，在此分别称为方案a、b和c。

这三种设计方案的内部机械结构如图1所示：

1—上端盖2—LED放置板3—驱动电路位置4—下部散热端

图1射灯内部结构

在此结构中，上端盖1与下部散热端4之间、LED放置板与下部散热端之间都以螺纹连接。

为减小界面间接触热阻，螺纹间涂以导热胶。

方案a、b和c外部结构如下：

方案a：

采用压铸成型，上下端盖无翅片，该方案模具简单，费用低，生产周期短。

由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图2。

图2方案a的计算模型

方案b：

采用压铸成型，上端盖无翅片，该方案模具简单，费用低，生产周期短。

由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图3。

图3方案b的计算模型

方案c：

采用压铸成型，上下端盖都有翅片，该方案模具较复杂，开模费用高，生产周期较长。

由于对称性关系，计算模型取其一半原形，计算模型见图4。

图4方案c的计算模型

根据产品的结构特点，在对其进行仿真分析时，我们主要考虑以下几个问题：

1.外壳温度最高点在那一部分？

2.LED放置处底部温度最高为多少？

3.外形结构是否满足热流分布要求？

为得出以上问题的答案，我们假设了静止空气对流边界条件，并且在LED与散热片间引入了界面接触热阻，根据以前的测试数据，接触热阻为5℃/W。

2方案a的仿真分析

计算结果如下图：

图a-1）整体温度分布图

图a-2）上端盖温度分布图

图a-3）下端盖温度分布图

3方案b的仿真分析

图b-1）上端盖温度分布图

图b-2）上端盖温度分布图

图b-3）上端盖温度分布图

4方案c的仿真分析

图c-1）上端盖温度分布图

图c-2）上端盖温度分布图

图c-3）下端盖温度分布图

5仿真结果及热流分析

三种方案温度如下表1：

方案a

方案b

方案c

LED底部温度

79℃

61℃

59℃

上端盖最高温度

63.2℃

46.1℃

44.5℃

下端盖最高温度

67.2℃

48.7℃

47.6℃

表1各参考点温度

由表1可见，方案a各参考点温度最高，方案c各参考点温度最低。

为更进一步确定各设计方案的合理性，下面再以热流分布来分析热流设计之合理性。

热流分布模型分别如图5、图6、图7所示。

图5方案a的热流分布模型

图6方案b的热流分布模型

图7方案c的热流分布模型

从图5、图6、图7可得出如下结论：

1.绝大部分热流从LED放置片传至下端盖。

2.上下端盖分布翅片有利于热流分布均匀。

6结论

由以上分析可见，方案a因表面温度过高，不满足客户要求，因此被否决。

方案b和方案c表面温度都满足要求，但由热流模型可知，大部分热流流向下端盖，因此上端盖处开散热槽对其散热能力并无太大的帮助。

这一点从其温度分布图也可以看出来，方案b和方案c的温度差在2℃之内。

但由于方案c在上端盖处加了散热槽，从而使模具制造时间及成本都有所增加。

因此选择方案b作为最终方案。

从本文可以看出，在选择产品的设计方案时，采用热分析软件对各种设计方案进行仿真分析，并通过对比各种方案的温度场图、热流分布图及其它数据，可以快速有效的选择合理的方案，从而使设计人员设计出高质量的产品，并避免了生产的盲目性。

参考文献

[1]姚仲鹏王瑞君传热学北京：

北京理工大学出版社，2000

[2]范宏昌热学北京：

科学出版社2003

作者简介

王劲（1976-），陕西汉中人，硕士，主要从事光电器件的开发、测试等研究工作。