大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計論文

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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)行實驗時，工作環(huán)境參數(shù)定義為自然對流換熱模型，且周圍介質(zhì)環(huán)境為20°干燥空氣。該軟件計算域必須足夠大，一般情況下計算域選定為：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)計原理，可從不同層面對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測，實驗過程中采用開放型邊界條件。

2大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計分析

2.1中心組合設(shè)計

首先采用等效電阻電路的處理方法，對散熱器三個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。三個結(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)計原理對三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器散熱效果的影響，得出以下實驗因素水平編碼值表：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

運(yùn)用DesignExpert8.06，可計算出散熱器三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對于散熱效果的響應(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,為計算系數(shù)；p為變量代號。

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)曲面模型計算方法求得二次相應(yīng)面的對應(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：假如在實際取值范圍內(nèi)無法求得駐點(diǎn)，即中心組核試驗確定的響應(yīng)面圖形為近似板型，此時需要對考慮邊界條件確定最佳值點(diǎn)。

3結(jié)語

本設(shè)計主要是對大功率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，采用中心組合法對翅片散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：得出散熱器的三個響應(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；通過實驗計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)嶒灲Y(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)按主次順序為：翅片高度>翅片間距>翅片厚度；3個響應(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