毕业设计（论文）大功率LED灯设计及其热分析.doc

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1、各专业完整优秀毕业论文设计图纸 大功率LED灯设计及其热分析 摘要 发光二极管(Light Emitting Diodes)照明比喻为照明的“绿色革命”，它以其高效、节能、环保、应用灵活、寿命长、安全性高等等一系列的优点，成为即白炽灯、荧光灯后的又一新兴换代光源。尤其近些年来随着大功率LED 照明产品在日常照明领域的不断深入普及，使得半导体照明日益受到全球的普遍关注，但随着功率的不断提高，大功率 LED 的热问题也日益突出，限制了它早日走入寻常百姓家的路途，也成为制约其继续发展的关键因素之一，因此，其散热问题亟待解决。 本课题就是从大功率 LED 散热问题入手，通过分析与研究大功率 LED灯具

2、的散热结构，优化大功率 LED 灯具整体结构设计，快速地散发掉由LED 光源芯片产生的大量的热量，进而有效地改善其散热，提高更加优质的大功率 LED 灯具照明产品。 本文对 LED 技术产业的全球研究状况与未来的发展趋势做了概括而简明的论述，介绍了本文研究背景及意义。已明确的研究目的开展研究内容，从根源从发，首先对 LED 热问题产生进行阐述，建立完整的热学模型，进行理论分析与实际测试比较。其次，对大功率 LED 灯具的散热器主要影响散热的各个因素进行单一的散热性能分析与研究，并分别对散热器高度H，半径r，半径R,环境温度等等因素与 LED 芯片结温绘制彼此曲线，清晰的反应了各个因素对 LED

3、 芯片结温的影响(即大功率 LED灯具散热性能的影响)。最后，通过利用有限元热仿真对大功率 LED 灯具散热器进行模拟仿真，使对整个灯具的散热情况更加明朗。 关键词： LED 热设计 热分析 AnsysDesign of High Power LED Lamp and Thermal AnalysisAbstract The light emitting diode (Light Emitting Diodes) lighting lighting compared to the green revolution, with its high efficiency, energy saving

4、, environmental protection, flexible application, long service life, high safety, etc., become the incandescent lamp, fluorescent lamp after another new generation light source. Especially in recent years, with the high power LED lighting products in the field of daily lighting further popularizatio

5、n, the semiconductor lighting universal attention increasingly global, but with the power increasing, the heat of large power LED is becoming more and more prominent, limiting it to enter the common people of the road, has become one of the key factors, the development of it, the heat dissipation pr

6、oblem. This topic is from the large power LED radiating problems, through the analysis and Research on the heat dissipation structure of high power LED lamps, the optimization design of the overall structure of high power LED lamps, quickly send out a lot of heat is generated by the LED light source

7、 chip, so as to effectively improve the heat dissipation, improve the high power LED lighting products more quality. In this paper, the research status of LED technology and the future development trend is summarized and concise elaboration, introduced the research background and the significance of

8、 this. The purpose of the study has definite research contents, from the root from the hair, first carries on the elaboration to the LED heat problem, establish the thermal model is complete, the theoretical analysis and practical test. Secondly, analysis and Research on the thermal performance of s

9、ingle high-power LED lamp radiator mainly affect the heat in various factors, and the radiator height H, radius r, radius R, environmental temperature and so on factors and LED chip junction temperature curve drawing each other, clearly reflects the effects of various factors on the temperature of t

10、he LED chip (the influence of thermal performance of high-power LED lamp). Finally, by using the finite element thermal simulation to simulate the radiator for high-power LED lamp, so that the heat radiation of the lamp is brighter. Keywords LED Thermal design Thermal analysis Ansys 目 录第一章 绪 论71.1LE

11、D概述71.2 LED灯的发展历史71.3 LED灯的发光原理及特点91.4 LED灯的市场和应用前景10第二章 LED热分析基本原理142.1 LED灯热传递过程142.2 热传递原理152.2.1 热传导152.2.2 热对流162.2.3 热辐射172.3 LED灯参数分析182.3.1 导热率182.3.2 导热系数18第三章 大功率LED灯有限元分析203.1 ANSYS软件203.2定义工作文件名和工作标题223.3定义单元类型223.4 LED灯材料参数定义233.5 LED灯模型生成243.6 LED灯加载和求解25第四章 分析结果30结 论31致 谢32参考文献33引 言近年

12、来，随着新技术和新型材料的发展，发光二极管（LED）以其高发光效率、低能耗、寿命长等优势，成为 21 世纪最具发展前景的一种新型冷光源，并逐渐渗透到现代照明领域中。LED 的工作原理为在外加电场的作用下，PN 结中的电子与空穴的复合，发生电致辐射将一部分能量转化为光能，其余能量转化为热能。在目前 LED 作为照明灯具后，散热是需要解决的关键问题之一，没有良好的散热通道，会使 LED 基板温度升高，导致半导体材料和荧光粉的发光效率下降，并且过高的结温会引起波长红移，导致 LED 发光不均匀，同时会影响到 LED灯具的使用寿命。据实验数据表明，LED 在 30下工作的寿命比在 70下工作的寿命长

13、20倍，热失效成为 LED 灯具主要失效形式之一。对于大功率 LED 来说，热设计是 LED 灯具结构设计的关键技术之一。本文运用有限元分析软件 ANSYS 对 LED 灯具进行模拟热分析，建立热传导模型，并且对 LED 灯具结构进行优化设计，提高散热性能。第一章 绪 论1.1LED概述LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴

14、占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。1.2LED发展史1907年，美国的 Henry Joseph Round 在一块SiC 晶体中观察到电致发光现象，被认是世界上第一个LED。但是由于晶体中发出的黄光太暗，没有实际利用价值，并且 SiC 晶体与电致发光不能很好的适应，这个研究并没有继续下去。 20世纪20 年代晚期，在德国Bernh

15、ard Gudden 和Robert Wichard 从锌硫化物和铜中提取到黄磷，利用黄磷来发光，然而再一次因为黄光太暗而中止了研究。 1936 年，George Destiau对ZnS 粉末发射光做了深入的研究，并发表了有关报告真正意义上提出及定义了“电致发光”这个术语。 20世纪50年代，英国科学家将半导体GaAs 应用到电致发光的实验中，发明了第一个具有现代意义的不可视红光 LED，并于60年代面世。从此，LED步入了商业化阶段，开始被用在感应和光电领域。 20世纪60 年代末，由于在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，所以还需要进一步的操作与突破使LED在室温下高效率工作。于是将磷

16、化物覆盖在GaAs 基体上，出现了第一个可见红光LED。磷化物的使用使LED发出的红光更亮、更高效，甚至可以产生出橙色的光。开始被用作指示灯，如今LED仍是指示灯的主要光源。 20世纪70年代中期，GaP 被使用作为发光光源，之后通过改进能够产生灰白绿光。采用一个红色、一个绿色的双层GaP芯片可以发出黄光。与此同时，俄国科学家也通过金刚砂发明出了黄光LED。尽管当时的黄光LED不如欧洲的高效，但是在70 年代末，出现了纯绿色的LED。20世纪80年代早期到中期，IBM实验室通过在GaP衬底上生长AlGaAs研制出了红光LED，后经过不断改进，诞生了第一代高亮度的LED，红、黄光效率提高到10l

17、m/W。之后，AlGaAs 被视为重要的LED原材料之一，使用 AlGaAs 材料研制的黄光、绿光、红光等LED被广泛应用在室外信号指示、商品的条形码、医疗器械等领域。 20世纪90年代早期，再一次由于利用金刚砂出现了第一个具有历史意义的蓝光LED，但是如果按照与目前的技术标准去衡量，其发光和刚开始发明的黄光LED 一样很暗淡。到90年代中期，便出现了超高亮度的氮化镓LED，随之又研制出了高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。同期，惠普光电实验室采用AlInGaP 四元材料生产出了桔红、橙、黄和绿光的高亮度的LED，从此LED进入了交通信号灯、室外大型显示屏、汽车灯等领域。 20世纪90年代后期，在

18、超亮度的蓝光蕊片上抹上荧光磷，通过吸收蓝色光源转化成白光。利用这种白光转换技术可以制造出任何可见颜色的光，今天在LED市场上就能看到生产出来的各种新奇颜色，如浅绿色和粉红色。 2006 年6月，日亚化学发布了发光效率为 100lm/W 的白色LED消息并开始供应样品，被业界认为是LED迈向照明领域的一个新的里程碑。 2006年7月，美国Cree公司使用GaN 类LED 芯片“EZBright”研制出了发光效率高达131lm/W 的白光LED，该发光效率是在施加20mA电流时获得的数值，其色温为 6027K，成为在LED业界的新标杆。 2007年9月，日亚化学发布了1W级的高功率白色LED，其在

19、350mA 的输入电流下，光通量为145lm，发光效率达到134lm/W，主要应用于一般的照明设备中。 2008年10月，Cree 公司宣布研制的白光 LED 在实验室测试中已经达到 157lm/W在实际运用中为 102lm/W 的LED产品也将大批量生产。 目前，1W的功率型LED已经投入大规模的生产，并且 3W、5W，甚至10W的大功率LED芯片也已经相继面世，并逐渐走向市场。 随着LED发光材料的不断提高，经过40多年的发展，LED的应用领域迅速扩展。LED 技术发展到今天，材料在不断更进，从 GaAS 到现在的 AlInGaN材料；从不可见的红光LED到黄光、蓝光、绿光LED，再到高亮

20、度的白光LED，实现了可见光波段的全彩LED系列。LED的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度，从开始的信号指示领域，到户外显示领域，再到电视、汽车指示灯领域，后来开始应用在通用照明、路灯，交通灯等领域，将代替白炽灯、荧光灯等，成为一种趋势。1.3 LED灯的发光原理及特点LED 是一种电致发光器件，它是由 P 型半导体和 N 型半导体两部分组成的晶体管。当 P型和 N 型半导体接触时，在界面上形成了 PN 结，并由于扩散作用在 PN 结两侧形成耗尽层，所以发光二极管为 PN 结的结构，其发光叫做 PN 结发光。在 PN 结上加正向电压，产生少数载流子注入，注入的少数载流子（电子和空穴）在传输过程

21、中不断扩散，耗尽层减薄，少数载流子与多数载流子不断复合，会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换成光能。这种发光现象是外加电场，产生电流，然后激发载流子，完成电能直接转变为光能的过程。反之，当 PN 结加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。LED 是注入式电致发光的典型例子。当LED 处于正向工作状态时，电流从阳极流向阴极，半导体晶体就发出紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。电子和空穴之间的带隙宽度越大，能量越大，产生的光子的能量就越高。电子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光频范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不

22、同的带隙，从而通过选择不同带隙宽度的材料，就能制作出不同颜色的LED。 在 LED 注入式发光的同时，少数载流子与多数载流子的复合，并不是将电能 100%转化成了光能。其中有一部分产生了其他形式的能量，比如产生了声子，释放了热能，这部分的载流子复合称作非辐射复合。非辐射复合主要包括多声子复合和俄歇复合两种形式。多声子复合是指导带电子失去的能量可以变成多个声子-即点阵波的能量量子，它将引起晶格震动，继而使晶体发热，也可称为多声子跃迁；俄歇复合是指和价带空穴复合，把能量交给导带中的另一个电子，使其处于高能态，再通过热平衡过程把多余的能量交给晶格，也可称为俄歇跃迁。这两种情况的载流子复合产生了热能，

23、这些热量成为了 LED 芯片温度的主要热源，导致 LED 在工作过程中出现 PN 结结温的升高现象。 LED 光源与传统的照明光源相比较，有以下显著的优点：(1)发光效率高：LED 的理论发光效率有 400500lm/W，目前美国 Cree 已发表了最高发光效率 161lm/W 的白光 LED，并已成功应用与实践。相比之下，白炽灯和钨丝灯的发光效率仅为 1224lm/W，荧光灯和高压气体灯为 50120lm/W。 (2)耗电量低：LED 耗电量很低，直流驱动，电光功率的转化率接近 100%。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。就桥梁护栏灯为例，同样效果的一个如

24、光灯 40 多瓦，而 LED 每个的功率只有 8 瓦。就照明效果相对于传统光源能节能 80%以上。 (3)使用寿命长：采用电子辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等特点。而采用 LED灯体积小，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。在恰当的电流和电压下，使用寿命可达到 6 万到 10 万小时，比传统光源寿命长 10 倍以上。 (4)可靠、耐用：LED 光源有长寿灯之称，发光效率达到白炽灯的 5 到 10 倍，使用寿命可达 6 万到 10 万小时，也就是说在正常情况下正常使用 5 年都无须更换及维修，大大降低了换灯费与维护费。 (5)相应速度快：LED 相应速度快，相应时间为纳秒

25、级，彻底消除了传统高压钠灯启动过程过长的缺点。 (6)绿色环保：LED 是由无毒的材料制作而成的，无污染，全固态，不像荧光灯中含汞会造成污染，可以回收再利用。同时其光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，是典型的绿色照明光源。 (7)应用灵活：体积小，便于造型，可以随意组合，易开发成轻便的小型照明产品，也便于安装和维护。 (8)控制灵活：LED 内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，并且可利用红、绿、蓝三基色原理，设计出不同的色彩，甚至可以制成流水般跑动的或是奔放跳动的动态形态，充分与艺术结合。这是传统光源所无法比拟的。1.4 LED灯的市场和应

26、用前景随着大功率白光 LED 的研制成功及迅速产业化。在 PHILIPS、OSRAM 和 Cree 等大公司的带领下，高亮度白光 LED 的发光效率取得了一次又一次的突破性进展，逐渐取代了白炽灯和荧光灯，开始迅速地进入到普通照明的应用领域。目前，美国 Cree 公司生产的白光 LED最高光效已达到 161lm/W，已经大大超越了白炽灯和荧光灯的发光效率。然而 LED 灯的光效在更多新技术的发展和资本的投入下不断提高，并且成本也开始逐渐下降，使其保证能够在大部分的人的消费水平之中，必将以其较高的性价比，为普通消费者所接受。 近年来，LED 的发展非常迅速，以其工作电压低、耗电量少、色彩丰富、发光

27、效率高、价格低，受到生产厂商、消费者和科研人员的青睐。在 LED 市场中一直保持着稳步增长的发展趋势。以至于其应用领域涉及十分广泛，主要的应用可概括为以下几个方面(1)背光源：LED 以寿命长、出光效率高、无干扰和性价比高等优点已普遍运用于小型液晶显示器的背光照明，如笔记本电脑、电子手表、手机、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等众多领域。 (2)大屏幕显示：应用于各种大型的广告或告示牌，或大型场所中的指示牌。特别是基于RGB三基色的大型全彩动态显示屏显示，正被广泛应用于机场、火车站及汽车站的班次信息显示，金融、证券等领域的实时信息更新，商场等大型场所的信息播放。近两年，全彩 LED户外显示屏

28、以代替了传统的霓虹灯、磁翻板等成为主流，尤其是在各大体育场馆已经成为标准配备。 (3)信号指示灯：LED 作为指示灯使用，主要应用于汽车用灯、交通信号灯和电子产品及各种电器指示灯等。在汽车用灯方面，对 LED 灯的平均无故障工作时间要求很高，其使用寿命一般都要超过汽车本身的使用寿命，确保在汽车使用期间无故障使用 LED 灯。LED 灯具以其节能、体积小、响应时间快、易于计算机控制、抗震性强和易于安装等优势，在汽车上被广泛应用，从汽车内部的仪表显示面板、音响指示灯、阅读灯、开关的背光源，到外部的刹车灯、转向灯、尾灯、侧灯以及头灯等，如图 1.3 所示。目前，几家国际著名的照明公司都已经推出了汽车

29、前大灯的概念产品，在汽车工业如此高速发展的带动下，汽车用灯将成为 LED产品高速成长的市场，在汽车领域的应用将大有可为。交通信号灯主要用超高亮度的红、绿、黄色 LED。由于交通信号灯推广速度快，正在逐步更新换代，是目前最有增长前景的领域。由于 LED 对电流的通过非常敏感，极小的电流就可以使其发光，而且使用寿命长，能够长时间闪烁而不损坏，因此在电子产品及各种电器的指示灯方面被广泛使用，在日常生活中随处可见，这也是发光二极管出现后的早期应用领域。 如图1. 图1 指示灯的应用(4)光色照明：LED 在光色照明领域的应用，是由于其可以利用红、绿、蓝三基色原理，创造出不同色彩的 LED 灯光的特点。

30、目前主要应用于室外景观照明和室内装饰照明。外景观照明应用主要有护栏灯、大功率投光灯、数码墙、地埋灯、树型灯、彩灯等。而室内装饰照明，结合了其能投射出不同形状的动态效果特点，目前主要集中在室内气氛照明的应用，在酒吧、商场、晚会现场等场合均能起到制造气氛的效果，并且通过智能控制可以实现灯光的色温可调，可以随时变化，充分与艺术相结合，极大地提高人们的生活品质。例如随着人们对生活品质的追求，现在流行的五彩圣诞树使用了 LED 灯，造型新颖、色彩丰富、不易破碎且低压使用，非常安全。 (5)普通照明：LED 灯具在普通照明领域的应用主要是指家用照明，与传统统的白炽灯泡相比，LED 灯具最大的优势是耗电量低

31、，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的 6%，以及其超长的使用寿命，在家用照明方面广受好评。再加上 LED灯具体积小，易于安装，以及光色多变，能够配合现代多样的装修风格，发挥着传统光源无可比拟的作用。但是 LED 灯具的价格还比较高，不是家家户户都能承受，也正因为这个原因阻碍着 LED 灯具在普通照明领域的普及。在未来的发展中，只要 LED 灯具的成本随着技术的不断提高而降低，那么节能灯和白炽灯必然会被 LED 灯具所代替。所以从长远角度考虑，LED 灯功耗小，节能，且寿命长，相信在不久的将来使其遍布每家每户的照明市场，是未来发展方向与研究重点。 (6)特殊工作照明和军事运用：在

32、野外作业、矿山、军事行动等特殊的工作场合，工作环境极其恶劣。LED 光源由于抗震性、耐候性、密封性好，以及辐射低、体积小、便于携带等优点，被这些工作场合所青睐。主要产品有防爆灯、便携式防爆手电筒、应急灯、军用特种灯等等。如图2所示。 图2 LED防爆灯总而言之，目前 LED 已经在背光源、大屏幕显示屏、信号指示灯、光色照明、普通照明、以及特殊工作照明和军事运用等领域得到很好的推广。但是受限于白光 LED 的价格因素，相对来说普通照明市场的占有率还比较低。同样受限于现有的技术因素，在汽车前大灯应用领域，虽然 LED 还处于刚刚起步的阶段。只要在高亮度 LED(HB-LED)技术的飞速发展促进下，

33、解决了在性能和成本上的问题，节能灯和荧光灯必然会被 LED 灯所代替，LED 成为普通照明光源的时日会越来越近。第二章 LED热分析基本原理2.1 LED灯热传递过程对于一个 LED 灯具，热量首先由 LED 芯片产生，然后通过热传导对流辐射三种方式进行传递。对于大功率 LED 灯具大体上都沿着以下路径传导：LED 芯片固晶层基板（MCPCB）导热胶散热器空气。结合灯具的实际结构来看，热传导是最主要的传热方式，因此在考虑如何提高 LED 灯具的散热性能的时候，主要是通过改变 LED 灯具系统的各个环节的热传导能力来达到有效散热的目的。图3 LED系统结构示意图图3是 LED 系统的典型结构示意

34、图，可以看出 LED 灯具系统散热性能好坏由 LED芯片-线路板-空气的热阻的大小及散热器的效果决定，在热阻这个通道中主要涉及到三个环节：(1)LED 器件自身热阻的大小，直接影响到芯片产生的热量能否导出，需要从 LED 封装结构、封装材料、制作工艺方面来提高 LED 散热性能；(2)从 LED 到线路板的热阻，往往由线路板的材料、LED 之间的间距、电阻的分布、LED 与线路板的连接方式决定；(3)如果线路板到空气的热阻过大，即使热量都从芯片传到金属线路板上，过多聚集的热量会使线路板的温度急剧上升，导致温度过高，增加了 LED 失效的可能性，造成 LED器件光衰加剧、寿命缩短。因此，我们从这

35、三方面结合最佳的散热器来提高 LED 灯具的散热能力，从而控制 LED 结温在一定范围内。 2.2 热传递原理 热传递，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递途径主要有以下三种：热传导、热对流、热辐射，它与其它固体半导体器件相比，LED 器件对温度的敏感性更强。在工程计算中，器件的热辐射效应基本可以忽略不计，所以 LED 散热的主要方式为热传导和热对流。 2.2.1 热传导热传导是指热量从物体的一部分传递到另一部分，或从一个物体传入与之相接触的另一个物体。其特点是仅依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动的情况下，仅靠物体内部微粒

36、的热运动传递了热量。热传导遵循导热基本定律（Fourier 定律），其表达式为式(2.1)所示。 (2.1)其中q为热流密度（W/),为单位面积上流过的热量。为热导系数（w/m.），其值与物体所构成材料的物理性质有关。 T ，n为沿向的温度梯度，负号表示热流密度与温度梯度方向相反，即热量流向温度降低的方向。在小平板导热情况下，关系式(2.2)成立。在这里，小平板是指导热截面尺寸比导热距离大得多的平板。 (2.2)其中，L 为平板的厚度，（T1 T2）为平板两表面之间的温度差，其示意图如图4 所示。图4大平板的热传递示意图2.2.2 热对流 热对流，又称对流传热，是指流体中质点发生相对位移而产生

37、的热量传递过程。物体与周围环境的温差所引起的热量交换现象，由于高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的空气下降并代替原来的受热空气。图 4所示为对热对流分析示意图。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。对流一般作为面边界条件施加。对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式，其表达式为式(2.3)。 (2.3)其中，hf为对流换热系数，单位为 W/(m2)，也可称为膜传热系数、给热系数或膜系数等，是指在单位温差作用下通过单位面积的热流量，反映了对流换热过程的强弱。Ts为固体表面的温度，TB为周围流体的温度。图5热对流分析示意图由于热交换的计算公式很难给出比较精确的计

38、算结果，并且使用时很容易出现错误，所以通常情况下可以使用一些经验的数据。空气对流系数经验式公式如式4和5所示。 内表面： h = 2 .5+4.2v (2.4) 外表面： h =（ 2 .56.0）+4.2v (2.5) 其中，h 为空气对流系数，v 为空气流速。 一块 0.2水平放置的平板，在自然对流情况下与空气对流换热系数大约为 5W/，在空气流速为 3m/s 的强迫对流情况下与空气的对流换热系数大约为 15 W/。考虑到本文分析的 LED 灯具多用于室内封闭环境中，所以统一将灯具外部及内部的对流系数取值 4 W/，环境温度为室温 20。 2.2.3 热辐射 热辐射是指物体发射电磁能，并被

39、其他物体吸收转变为热的热量交换过程。与传导和对流不同，热辐射是通过电磁波的方式传递能量的。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射不需要物体之间的直接接触，也不需要任何中间介质。实际上，在真空中的热辐射效率最高。 同一物体，温度不同时的热辐射能力不一样，温度相同的不同物体的热辐射能力也不一样。同一温度下黑体的热辐射能力最强。在单位时间单位黑体表面向外界辐射的全部波长的总能量，服从斯蒂芬-波尔兹曼定律，其表达式为式(2.6)。 (2.6) 其中，T 为黑体的热力学温度， 为黑体辐射常数，等于 5.67l0-8（wm-2K-4），S 为辐射表面积。由此可见，黑体的辐射能力与其热力学温度的四次方成正

40、比。然而一切实际物体的辐射能力都小于同等温度下的黑体，实际物体的辐射量可以采用斯蒂芬-波尔兹曼定律的修正形式表达，如式(2.7)所示。 (2.7) 其中，称为实际物体的辐射率，或称为黑度，其值在 0-1 之间。 2.3 LED灯参数分析2.3.1 导热率导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力，又称为热导率，单位为W/m.K。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。不同成分的导热率差异较大，导致由不同成分构成的物料的导热率差异较大。单粒物料的导热性能好于堆积物料。稳态导热：导入物体的热流量等于导出物体的热流量，物体内部各点温度不随时间而变

41、化的导热过程。非稳态导热：导入和导出物体的热流量不相等，物体内任意一点的温度和热含量随时间而变化的导热过程，也称为瞬态导热过程。2.3.2 导热系数导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用表示，单位为瓦/米度导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定，凡平均温度不高于350时导热系数不大于0.12W/(mK)的材料称为保温材料），而把导热系数在0.05瓦/米摄氏度以下的材

42、料称为高效保温材料。导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。锅炉炉管在未结水垢时，由于钢的导热系数高，钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近，因此，管壁温度（内外壁温度平均值）不会很高。但当炉管内壁结水垢时，由于水垢的导热系数很小，水垢内外侧温差随水垢厚度增大而迅速增大，从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大（一般为13毫米）后，会使炉管管壁温度超过允许值，造成炉管过热损坏。 对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲，则要求导热系数越低越好。一般常把导热系数小于0。8x10的3次方瓦/（米时摄氏度）的材

43、料称为保温材料。例如石棉、珍珠岩等填缝导热材料有:导热硅脂、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片、导热双面胶等。主要作用是填充发热功率器件与散热片之间的缝隙，通常看似很平的两个面,其实接触面积不到40%，又因为空气是不良导热体，导热系数仅有0.03w/m.K,填充缝隙就是用导热材料填充缝隙间的空气.表1 材料热特性材料名称导热系数 W/mK材料名称导热系数 W/mKSi150ABS0.25SiC490PA0.25Kovar17.3PS0.08纯铝237PU0.25纯铜401纯硅胶0.35第三章 大功率LED灯有限元分析伴随大功率 LED 技术的不断提高，以及在日常领域(路灯照明、家庭照明、商用照

44、明)不断应用与深入，LED 技术越来越受人类的关注，但随着单个 LED 芯片光源功率的不断增大，其散热问题成为了亟待解决的问题，制约着 LED 技术的进一步发展，为了更好地研究 LED 散热，我们采用仿真技术，构建各类仿真模型，依据实际简化模型，以便观察 LED 各部分的温度变化，更好地改进和提高 LED 的散热技术。采用有限元仿真方法分析大功率LED 灯具的温度变化，以此来改进大功率 LED 灯具散热问题。3.1 ANSYS软件ANSYS 软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发的，作为新颖的有限元分析软件在处理热分析问题方面具有强大的功能，而且界面友好，易于掌控。可

45、以随心所欲地选择图形用户界面方式（GUI）或者命令流方式进行计算，具有快速的网格划分功能以及强大的结果后处理功能。并且能够与大部分的 CAD 软件进行接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer、NASTRAN、IDEAS、AutoCAD 等。下面从两方面来介绍强大的 ANSYS 软件：(1) 功能 ANSYS 软件是以服务实际工程为背景，将电磁场、结构学、力学、热学、声场综合在一起分析的有限元分析，广泛应用在空间技术、交通、机械设计、交通水利等多种行业设计研究中。它主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块包括定义工作文件名称，设置分析模块，单元选择，材

46、料定义，几何建模，网格划分，模型局部调整，施加荷载等内容。 分析计算模块包括结构分析（静动力、非线性）、动力学分析、流体动力学分析、电磁场分析、热分析、声场分析、压电分析、多物理场的耦合分析。在该阶段，设计者可以定义求解类型、分析选项、载荷数据、载荷步选项来选择稳态分析或瞬态分析，加载边界条件，包括温度、热流率、热流密度、对流、辐射和热生成等。 后处理模块包括通用后处理模块 POST1 和时间历程后处理模块 POST26，该模块从求解计算结果中读取数据，对计算结果进行各种图形化显示，可对计算结果进行列表显示，进行各种后续分析。(2) 分析过程 ANSYS 分析采用的是有限元分析技术。在分析时，

47、必须将实际问题的模型转变成有限元模型，它是一种近似的模拟仿真。有限元分析问题是由几何模型的模拟（建立几何模型）、物理模型的模拟（建立材料模型）、工艺过程的模拟（建立分析过程）、结果的整理和判断及参数的调整。一个典型的 ANSYS 分析过程可分为三个大步骤：建立模型，加载并求解和查看分析结果针对模型与边界条件，采用 ANSYS 的 GUI 方式，具体过程如下： l)设定结构基本参数：确定 jobname、title、单位。 2)选择单元类型：定义单元类型，设定单元选项。 3)定义材料参数：对于稳态热分析，材料参数有导热系数；对于瞬态热分析，材料参数有导热系数、比热、密度、泊松比等。 4)建立几何模型：在 ANSYS 中有两种建模方式，一种是自顶向下建模，首先定义一个模型的最高级图元，称作基元，如球体、棱柱等。接着程序会按照已定义的体自动定义相关的面、线及关键点。若是二维的模型，则先定义基元为面，接着程序就会自动定义与之相关的线与关键点。另一种是自底向上建模，首先定义关键点，然后依次是相关的线、面和体。但是模型的结构比较复杂时，用其他三维画图软件进行建模比较方便。 5)划分网