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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:楊尚軒 (2014-07-14);推薦:徐業良(2015-12-11)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所楊尚軒碩士論文「嵌入式LED燈具散熱結構設計之研究與探討」第三章。

第三章    嵌入式LED燈具散熱結構分析

ANSYS是一套架構於PC視窗作業平台,於工業上廣泛使用的電腦輔助分析軟體,具有分析結構物受到靜力、動力、熱傳、流力及電磁學等多重物理現象影響時的變化之功能。ANSYS軟體本身亦有前後處理的功能,可獨立建構分析所需的有限元素模型,及相關結果的處理及圖型顯示等完整分析工作,常被用於電子封裝、汽車、航太及醫學工程等多種產業領域[1]

本章先對嵌入式LED照明燈具進行實物溫度量測,再以ANSYS建立嵌入式LED照明燈具3D模型,並進行熱傳分析,而ANSYS分析結果需與嵌入式LED照明燈具量測結果相同,再將此ANSYS分析的參數條件做為不同散熱結構之分析依據;接續再設計數組散熱結構,加至嵌入式LED照明燈具3D模型內,同樣以ANSYS進行熱傳分析,觀察LED照明燈具3D模型不同散熱結構後之溫度變化,並將所得數據提供下一章散熱結構最佳化設計參考。

3.1    嵌入式LED燈具散熱結構設計原理

LED照明燈具常見的散熱結構,通常是以鋁擠成型(圖3-1或以鋁片材衝壓成型當散熱鰭片(圖3-2),因為鋁有極高的導電性、導熱性、延展性及反射性散熱效果強,如鋁材料AA6063熱傳導率約160~180W/m.K是最傳統也是技術最為成熟之散熱產品,有些散熱結構甚至會增加銅材質,提昇熱傳導速度。鋁擠散熱片應用在許多產品中皆可在最短時間內解決散熱的需求,而固定方式、形狀、加工方式及顏色皆可多樣化選擇。在成本或是散熱考量中鋁擠散熱片做為散熱的媒介是目前最佳的選擇。鋁擠散熱片設計基本概念如下:

Ÿ   鋁擠模具可開立最大尺寸為300 mm

Ÿ   鋁擠模具可開立最大尺寸為8 mm

Ÿ   散熱鰭片寬度最小尺寸0.8 mm

Ÿ   剖溝最小加工尺寸0.8 mm,最大加工尺寸10 mm

Ÿ   鋁擠散熱片底部平整度可到0.25 mm

Ÿ   表面處理方式:噴砂、陽極、電鍍、烤漆等。

DSCF0015.JPG

3-1. 鋁擠成型散熱鰭片

另一種散熱鰭片,是以單模衝壓或連續衝壓模成型,再透過人工或機器組裝成散熱鰭片衝壓成形散熱鰭片設計基本概念如下:

Ÿ   散熱鰭片厚度最小尺寸0.1mm,最大厚度10mm

Ÿ   散熱鰭片與鰭片之間隙最小可達0.7mm,最大則不限;

Ÿ   散熱鰭片材質可自由搭配,如銅與鋁交錯;

Ÿ   表面處理方式:噴砂、陽極、電鍍、烤漆等。

DSCF0010.JPG

3-2. 衝壓成型散熱鰭片

3.2    嵌入式LED照明燈具溫度量測

嵌入式LED照明燈具溫度量測程序如下:

Ÿ   啟動LED照明燈具2小時以上達熱平衡,始進行溫度量測;

Ÿ   環境溫度固定於25(圖3-3

Ÿ   燈具前面懸空、背面包覆,比照實際作業環境(圖3-4

Ÿ   由外至內,量測5點溫度值(圖3-5

由圖3-6可得知嵌入式LED照明燈具,經過2小時之後到達熱平衡,所量測之溫度值,由外至內分別為:53.653.252.652.151.6

3-3. 量測環境溫度

3-4. LED燈具量測作業環境:前面懸空、背面包覆

3-5. 由外至內-溫度量測點計5

3-6. 溫度量測值

3.3    ANSYS建立嵌入式LED照明燈具三維 Model分析模型

在進行ANSYS分析模型建立之前,須先對嵌入式LED照明燈具熱傳遞方式進行瞭解。現有的熱傳遞方式,是將LED所產生的熱能透過LED Board將熱傳導至本體,再藉由本體表面積進行散熱,其熱傳遞路徑如圖3-7所示。因此熱傳分析僅保留相關零件即可;再者,嵌入式LED照明燈具之LED屬環繞對稱式,其規格為:24w / 60pcs (LED),故可簡化其分析範圍,取其60分之一進行分析即可,如圖3-8所示。

3-7. LED照明燈具熱傳導方式

3-8. LED照明燈具之LED屬環繞對稱式

ANSYS分析條件如下:

Ÿ   LED Board材質:AL1060

Ÿ   本體材質:AL1050

Ÿ   ANSYS軟體中使用MKS

Ÿ   非耦合分析

Ÿ   網格元素:Solid 87

Ÿ   網格密度:Free mesh / 0.0005

Ÿ   熱阻值5000

Ÿ   LED瓦特數:24W /60 / 0.378E-7

Ÿ   散熱鰭片自然對流係數:內部7.55、外部9.15

Ÿ   環境溫度固定於25

ANSYS分析熱傳導結果如下:

00_溫度曲線圖.jpg

3-9. LED照明燈具3D-溫度曲線圖

00_60分之一溫度圖.jpg

3-10. LED照明燈具60分之一熱傳溫度分佈圖

00_All溫度圖.jpg

3-11. LED照明燈具3D All熱傳溫度分佈圖

嵌入式LED照明燈具3D Model經由ANSYS分析並不斷調整其參數條件,可得知分析的結果與嵌入式LED照明燈具實物量測溫度相同,如圖3-9至圖3-11,再以此分析參數條件,作為後續不同散熱結構模型之標準參數。

3.4    分析不同的嵌入式LED照明燈具散熱結構

接續在嵌入式LED照明燈具增加散熱結構進行分析。首先考量散熱結構與嵌入式LED照明燈具產品匹配性,一般LED球泡燈因屬輕薄小的產品以及造型因素,如以鋁擠鰭片作散熱結構,外觀予人笨重感,故球泡燈適用以衝壓成形散熱鰭片作為散熱結構;而嵌入式LED照明燈具本體具有平面面積,如以鋁擠鰭片作散熱結構,可使二者緊密貼合,使產品本身外觀呈現整體一致性。再者,一般LED球泡燈於照明時,溫度較低,以衝壓成形散熱鰭片作為散熱結構,即可達到有效的熱傳遞;而嵌入式LED照明燈因其照明時,溫度較高,以鋁擠鰭片當作散熱結構,可使熱傳遞較快速。故嵌入式LED照明燈具,較適合鋁擠鰭片作散熱結構。

依照先前所述的散熱結構設計原理之外,必須再考慮嵌入式LED照明燈具屬環繞對稱式熱源,散熱結構必須能平均有效做熱傳遞,以及散熱結構之底部長寬不可大於嵌入式LED照明燈具之原則,最後考量實際量產之可行性等因素,故散熱結構設計為正方形鋁擠。而散熱結構之鰭片高度,考慮其空間因素,則訂定為三種,分別為:5mm10mm15mm,每一種高度之散熱鰭片厚度又分為五種:0.8mm2mm3mm4mm5mm,散熱鰭片之間距固定為0.8mm,總計有15種散熱結構,如圖3-12~13。並於ANSYS裡建立3D Model,如圖3-14,再以ANSYS進行分析。而分析的目的,觀察不同散熱結構之溫度熱傳變化並記錄,再將記錄之數值供散熱結構最佳化設計使用;嵌入式LED照明燈具之LED屬環繞對稱式,其規格為:24w / 60pcs (LED),而散熱結構屬鏡射對稱式,故可簡化其分析範圍,取其四分之一進行分析即可。

嵌入式LED照明燈具散熱結構ANSYS分析條件如下:

Ÿ   LED Board材質:AL1060

Ÿ   本體材質:AL1050

Ÿ   散熱鰭片(HeatSink)材質:AL1050

Ÿ   ANSYS軟體中使用MKS

Ÿ   非耦合分析

Ÿ   網格元素:Solid 87

Ÿ   網格密度:Free mesh / 0.0005

Ÿ   熱阻值5000

Ÿ   LED瓦特數:24W /4 / 0.567E-6

Ÿ   散熱鰭片自然對流係數:內部7.55、外部9.15

Ÿ   環境溫度固定於25

3-12. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:正方形鋁擠剖視圖尺寸

heatsink01.jpg

3-13. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:正方形鋁擠四分之一3D示意

8inch_Q20x5mm_OK001.jpg

3-14. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:ANSYS 3D

嵌入式LED照明燈具散熱結構,分析熱傳導結果分別如下:

8inch_Q08x5mm001.jpg

3-15. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T0.8mm溫度曲線圖

8inch_Q08x5mm002.jpg

3-16. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T0.8mm溫度分佈圖

8inch_Q20x5mm001.jpg

3-17. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T2mm溫度曲線圖

8inch_Q20x5mm002.jpg

3-18. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T2mm溫度分佈圖

8inch_Q30x5mm001.jpg

3-19. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T3mm溫度曲線圖

8inch_Q30x5mm002.jpg

3-20. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T3mm溫度分佈圖

8inch_Q40x5mm000.bmp

3-21. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T4mm溫度曲線圖

8inch_Q40x5mm001.jpg

3-22. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T4mm溫度分佈圖

8inch_Q50x5mm001.jpg

3-23. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T5mm溫度曲線圖

8inch_Q50x5mm002.jpg

3-24. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H5mm T5mm溫度分佈圖

8inch_Q08x10mm001.jpg

3-25 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T0.8mm溫度曲線圖

8inch_Q08x10mm002.jpg

3-26. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T0.8mm溫度分佈圖

8inch_Q20x10mm001.jpg

3-27. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T2mm溫度曲線圖

8inch_Q20x10mm002.jpg

3-28. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T2mm溫度分佈圖

8inch_Q30x10mm001.jpg

3-29. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T3mm溫度曲線圖

8inch_Q30x10mm002.jpg

3-30. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T3mm溫度分佈圖

8inch_Q40x10mm001.jpg

3-31. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T4mm溫度曲線圖

8inch_Q40x10mm002.jpg

3-32. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T4mm溫度分佈圖

8inch_Q50x5mm001.jpg

3-33. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T5mm溫度曲線圖

8inch_Q50x5mm002.jpg

3-34. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H10mm T5mm溫度分佈圖

8inch_Q08x15mm001.jpg

3-35. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T0.8mm溫度曲線圖

8inch_Q08x15mm002.jpg

3-36. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T0.8mm溫度分佈圖

8inch_Q20x15mm001.jpg

3-37. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T2mm溫度曲線圖

8inch_Q20x15mm002.jpg

3-38. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T2mm溫度分佈圖

8inch_Q30x15mm000.jpg

3-39. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T3mm溫度曲線圖

8inch_Q30x15mm001.jpg

3-40. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T3mm溫度分佈圖

8inch_Q40x15mm001.jpg

3-41. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T4mm溫度曲線圖

8inch_Q40x15mm002.jpg

3-42. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T4mm溫度分佈圖

8inch_Q50x15mm001.jpg

3-43. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T5mm溫度曲線圖

8inch_Q50x15mm002.jpg

3-44. 嵌入式LED照明燈具散熱結構:H15mm T5mm溫度分佈圖

嵌入式LED照明燈具散熱結構3D 模型,經由ANSYS分析的結果如圖3-45,而這些分析結果所得數據,將提供下一章嵌入式LED照明燈具散熱結構最佳化設計參考。

Heatsink_厚度測試數據.png

3-22. 嵌入式LED照明燈具散熱結構分析:溫度一覽表

參考文獻

[1]       康淵、陳信吉ANSYS入門,全華圖書股份有限公司