LED散热器热特性数值分析及优化设计

摘要

随着发光二极管(Light Emitting Diode，LED)照明市场需求的不断增加，缩短LED的投产时间显得尤为重要。因此在对LED产品生产之前，为了避免盲目生产出来的产品存在诸多问题，增加产品的开发周期和延续产品的上市时间，导致产品失去市场竞争优势。因此需要在产品生产之前进行相应的仿真模拟。现在已经被广泛应用电子系统散热仿真软件有ANSYSICEPAK，FLOTHERM等。这些国外商用软件算法保密、价格昂贵且使用门槛较高，限制了中小型企业的发展速度，因此需要研发一款LED散热模拟分析软件，供广大散热研究者学习使用。
　　本文使用MATLAB软件开发一款热设计软件，将待求温度场区域划分成有限数量的三棱柱单元，计算各个单元对离散后微分方程的系数矩阵和右端项的贡献，并将各单元的贡献叠加得到离散后整体微分方程，进而求解各节点温度值。并把自编软件与商用软件ICEPAK进行对比，结果表明此款软件不逊于商业化大软件，能够满足工程应用的使用要求。
　　此外，本文选用中心组合设计及响应面分析法对大功率LED平板型散热器进行了优化设计。根据中心组合设计原理，选取翅片高度、翅片间距和翅片厚度为三个响应因子，散热器的温度为响应值。运用DesignExpert8.06软件对数据进行分析和优化计算，得到了三因子与散热器温度的回归方程以及三因子之间相互作用的三维响应面图。结果表明:三因子的最佳取值为翅片高度23.92mm，翅片间距5.99mm，翅片厚度1.03mm，在此条件下散热器温度为45.1822℃，与Icepak模拟仿真值相比，误差仅为+0.575％，说明使用此方法求得平板型散热器优化的数学模型是可行的。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 LED发展历史与趋势

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文工作

第二章 有限单元法和传热学的理论原理

2．1 有限单元法原理

2．1．1 变分原理

2．1．2 加权余量法

2．2 传热学热传递的主要方式

2．2．1 热传导

2．2．2 热对流

2．2．3 热辐射

2．3 温度场的基本概念

2．4 热传导微分方程

第三章 三维温度场有限单元法的核心算法

3．1 传热学微分方程的加权余量法

3．2 三维温度场有限单元离散方程

3．3 三维温度场边界条件的处理

第四章 有限单元法三维温度场计算软件的功能实现

4．1 软件功能设计

4．2 软件开发平台

4．3 软件功能实现的流程分析

4．4 软件可靠性验证

4．4．1 研究对象物理模型描述

4．4．2 ICEPAK软件模拟

4．4．3 LED-FEM软件模拟

4．4．4 实验测量方法

4．4．5 两种软件模拟结果与实验测量结果对比

第五章 有限体积法在二维温度场计算中的应用

5．1 有限体积法的原理

5．2 SIMPLE算法

5．3 处理二维平行板通道问题

5．3．1 入口边界条件处理

5．3．2 出口边界条件处理

5．3．3 固体壁面边界条件处理

5．3．4 计算结果分析对比

第六章 中心组合实验设计法在散热器结构优化中的应用

6．1 中心组合实验设计

6．2 散热器结构优化的数学模型

6．3 散热器结构优化实验设计

6．3．1 模型的建立与显著性检验

6．3．2 响应面分析与结果讨论

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 后续工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢