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大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

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大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

1散熱器物理模型的建立

大功率LED燈具主要由多孔型燈殼、透光罩、反光器、照明電源、LED燈珠、鋁基集成電路以及平板型翅片散熱器等組成。根據(jù)要求可將其設(shè)定為LED燈珠:型號(hào)為OSRAMLUW-W5AM,燈珠需要10顆左右,每顆燈珠額定功率為1瓦,電能轉(zhuǎn)化效率設(shè)定為80%,在仿真模擬軟件中使用二維點(diǎn)光源表示;鋁基集成電路板的長寬高結(jié)構(gòu)參數(shù)為180mm*92*1.5mm,線路板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為200W/(m*k),銅膜覆蓋厚度為60μm,導(dǎo)熱系數(shù)為380W(m*k);平板型鋁翅片散熱器:散熱器長寬高參數(shù)為220mm*130mm*10mm,翅片厚度2mm,翅片間距及高度為:5mm,20mm,外殼導(dǎo)熱系數(shù)為200W(m*k)。采用Icepak仿真模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),工作環(huán)境參數(shù)定義為自然對(duì)流換熱模型,且周圍介質(zhì)環(huán)境為20°干燥空氣。該軟件計(jì)算域必須足夠大,一般情況下計(jì)算域選定為:重力反方向上的模型高度定為3倍模型參數(shù),重力方向模型高度定為2倍模型參數(shù),模型側(cè)面結(jié)構(gòu)參數(shù)定為0.5倍結(jié)構(gòu)參數(shù),參考模型如圖1,利用三維軟件設(shè)計(jì)原理,可從不同層面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測,實(shí)驗(yàn)過程中采用開放型邊界條件。

2大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1中心組合設(shè)計(jì)

首先采用等效電阻電路的處理方法,對(duì)散熱器三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:翅片高度20mm;翅片間距6mm;翅片厚度2mm,然后根據(jù)CentralComposite設(shè)計(jì)原理對(duì)三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器散熱效果的影響,得出以下實(shí)驗(yàn)因素水平編碼值表:表格中:r表示各結(jié)構(gòu)參數(shù)與中心點(diǎn)的間距。

2.2數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用DesignExpert8.06,可計(jì)算出散熱器三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于散熱效果的響應(yīng)值,最后得出下列方程式:上述方程中:xi、xj為變量編碼值;b0、bi、bji、bii,為計(jì)算系數(shù);p為變量代號(hào)。

2.3散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳值確定

根據(jù)二次相應(yīng)曲面模型計(jì)算方法求得二次相應(yīng)面的對(duì)應(yīng)方程的穩(wěn)定取值點(diǎn):利用上式可將回歸方程換算為矩陣的形式:然后利用求導(dǎo)法則對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)可得:求得駐點(diǎn)即各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值:假如在實(shí)際取值范圍內(nèi)無法求得駐點(diǎn),即中心組核試驗(yàn)確定的響應(yīng)面圖形為近似板型,此時(shí)需要對(duì)考慮邊界條件確定最佳值點(diǎn)。

3結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要是對(duì)大功率LED燈具散熱器的核心部件:燈珠、鋁基集成電路板、平板翅型散熱器,采用中心組合法對(duì)翅片散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):得出散熱器的三個(gè)響應(yīng)因子為翅片高度、間距及厚度,響應(yīng)值為散熱器工作溫度;通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出散熱器的工作溫度值,然后在利用DesignExpert8.06軟件響應(yīng)面分析程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合,得出影響散熱器散熱性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)按主次順序?yàn)椋撼崞叨?gt;翅片間距>翅片厚度;3個(gè)響應(yīng)因子的最佳結(jié)構(gòu)組合為:翅片高度23.50mm,翅片間距6.05mm,翅片厚度1.32mm,在此條件下,散熱器溫度為45.2822℃。

作者:張吉慶 單位:大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司