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。