发布时间 : 星期六 文章生化分析仪温度控制系统设计更新完毕开始阅读f8623ffa185f312b3169a45177232f60ddcce7fa
第4章 LED散热分析
从表中我们可以看出，金、银热传导性良好，但是价格太高。铜的热传导率也极高，但是重量是铝的三倍左右，且很加工性很差，但是用铜做为散热片的底部可提升热传扩散的效率，降低热阻值。传统的散热片的材料为铝，成本低，且加工性能良好。但是纯铝的硬度不足，且金属切削性能差，在生产实际中多采用铝合金来制造散热片。表4-2为几种铝合金热导系数：
表4-2 常见铝合金热导系数表
材料 AA6061型铝合金 AA6063型铝合金 ADC12型铝合金 AA1070型铝合金 AA1050型铝合金 4.3.2 散热片的形状
热导系数(w/m·k) 155 201 96 226 209 特性 热传导和加工均良好，常做散热片 加工机械性能好 较好的延展性，常做鳍片 散热片的形状可以设计成多种形状，如圆柱阵列、条形阵列、金字塔形状等，这些都是为了通过改变结构来使用最少的材料获得最好的散热效果。
图4-5为不同形状的散热片。
（a）
(b)
(c)
图4-5 不同形状的散热片
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(d)
第4章 LED散热分析
4.3.3 散热片设计的一般原则
散热片的设计有很多方法，这里主要介绍散热片设计的一般方式和强制对流散热片设计方法。
首先介绍散热片设计的一般方式，这些简单的方法可以对一些应用简单的散热片设计提供设计标准： (1)包络体积的观念
所谓包络体积是指散热片所占的体积，如果发热功率大， 所需的散热片体积就比较大。散热片的设计可就包络体积做初步的设计，然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计。发热瓦数和包络体基的关系如下式所示。
3LogV?1.4?logW?0.8(Min1.5cm) (4-1)
(2)散热片底部厚度
要使得散热片效率增加，散热片底部厚度有很大的影响，散热片底部必须够厚才能使足够的热能顺利的传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪费材料，也会造成热的累积反而使热传能力降低。良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递。散热瓦数和底部厚度的关系如下所示：
t?7?logW?6(min2mm) (4-2) (3)鳍片形状：
散热片内部的热藉由对流及辐射散热，而对流部分所占的比例非常高，辐射基本忽略不计。
a.间隔散热片的壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成壁面的空气层(边界层)流，空气层的厚度约2 mm，鳍片间格需在4 mm 以上才能确保自然对流顺利。但是却会造成鳍片数目减少而减少散热片面积。鳍片间格变狭窄，自然对流发生减低，降低散热效率。鳍片间格变大，鳍片变少，表面积减少。 b.鳍片角度鳍片角度约三度。
c.鳍片厚度当鳍片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是鳍片厚度薄高的情况，会造成前端传热的困难，使得散热片即使体积增加也无法增加效率。散热片变短时，增加表面积会增加散热效率，但也会使散热片的体积减少而造成的缺点(热容量减少)因而产生。因此鳍片长度需保持一定才能产生效果。鳍片变薄,鳍片传热到顶端能力变弱 ；鳍片变厚，鳍片数目减少(表面积减少)；鳍片增高，鳍片传到顶端能力变弱(体积效率变弱),鳍片变短，表面积减少。
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第4章 LED散热分析
(4)散热片表面处理：
散热片表面做耐酸铝(Alumite)或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能，一般而言，和颜色是白色或黑色关系不大。表面突起的处理可增加散热面积，但是在自然对流的场合，反而可能造成空气层的阻碍，降低效率。 此外实际散热片设计时还需考虑与元件以及环境的配合，尤其是高效能散热片的设计需配合实验量测验证以及CFD或者ANSYS的分析模拟。
随着散热的需求日益增加，散热片的效率需要进一步提升，强制对流散热片设计方法也得到应用越来越广泛。基本上可透过两个方式来改善，第一个方法是增加热传系数h，第二个方法则是增加散热面积，可由牛顿冷却定律说明。
q?hA(Theatsink?Tair) (4-3)
热传系数可以通过以下几个方法增加：
(1)增加空气流速这个是很直接的方法，可以配合风速高的风扇来达成目的，但是须注意当鳍片变密或是形状形成阻碍时，会造成流阻，形成背压或回流，产生噪音及灰尘。
(2)平板型鳍片做横切将平板鳍片切成多个短的部分，这样虽然会减少散热片面积，但是却增加了热传导系数，同时也会增加压。当风向为不定方向时，此种设计较为适当。
(3)针状鳍片设计针状鳍片散热片具有较轻及体积较小的优点，同时也有较高的体积效率，更重要的是具有等方向性，因此适合强制对流散热片。鳍片的外型有可分为矩形、圆形以及椭圆形，矩形散热片是由铝挤型横切而成，圆形则可由锻造或铸造成型，椭圆形或液滴形的散热片热传系数较高，但成型比较不易。 (4)冲击流冷却利用气流由鳍片顶端向底部冲击，这种冷却的方式可以增加热传导性，但是须注意风的流向配合整体设计。
另一方面，强制对流散热片的设计还须注意系统风向及机构配合，利用系统风散热、注意其他零件造成的流阻以及利用外壳等部份做进一步散热，以节省空间。
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第5章 LED散热结构仿真及设计
第5章 LED散热结构仿真及设计
5.1 ANSYS 简介
5.1.1 ANSYS软件介绍
ANSYS软件[33]是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。 5.1.2 有限元法的基本过程
ANSYS软件是通过运用有限元法完成热分析过程的。通常，有限元法的步骤如下流程图5-1所示。
定义材料特性、几何特征 定义单元类型、选项 建立散热片实体模型并进行网格划分 打开通用前处理器PREP7 关闭SOLUTION 进入通用后处理器POSTI 进入ANSYS 定义分析类型和选项 施加便捷约束条件和约束载荷 开始 1 通过图形显示散热片温度云图 关闭PREP7，进入求解处理器SOLUTION
关闭POST1,.退出ANSYS
1 图5-1 有限元法分析流程图
结束束 为使热分析的结果尽可能真实地反映散热片实际工作情况，又要避免繁琐的
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