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研究生:陳昭宇
研究生(外文):Chao Yu Chen
論文名稱:高亮度LED吸頂燈具之散熱研究
論文名稱(外文):The Study of Heat Dissipation in a High-brightness LED Ceiling-Top Lighting Fixture
指導教授:孫明宗
指導教授(外文):Ming Tsung Sun
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
論文頁數:81
中文關鍵詞:發光二極體高亮度散熱器
外文關鍵詞:LEDHigh-brightnessradiation
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從節省能源的觀點來看,固態照明(發光二極體,LED)在日常生活電器的應用上一直是一極具發展前景的科技產品。LED照明設備相較於傳統螢光照明的其他優點,如使用壽命長、亮度可變、低電壓、不具水銀以及尺寸小等,吸引了工程師們的注意力願意努力解決其缺點。在LED照明設備的缺點當中,除了價格的因素之外,會嚴重影響其發光頻譜與使用壽命的散熱問題則是使其無法獲得廣泛應用的主要障礙。本研究主要尋求解決的是在吸頂高亮度LED燈具內的有限空間中,藉著自然對流進行熱傳的散熱問題。本研究的方法為,首先依照現有的吸頂高亮度LED燈具的散熱模組建構數值模型,並利用此數值模型進行該熱傳模組熱傳過程的模擬。並與實驗的結果進行比對,以確認該數值模型的正確性。其次,改變散熱模組的參數:散熱鰭片高度與數量,以先前的方式建立數值模型進行模擬,以評估所設計機構的散熱性能。最後利用由雷耀企業股份有限公司所提供的LED構裝熱阻估計LED的晶片溫度(Junction Temperature, Tj)。以本研究所採用的四個約1 W的白光LED所構成的燈具模組來進行分析的結果顯示,當散熱器高度為40 mm、散熱鰭片長度為27 mm、散熱鰭片數量為16片時,晶片溫度可以達到57C。
Solid-state lighting (Light Emitting Diode, LED) has been one of the promising technology applications in term of energy saving in daily appliances. Other advantages of LED lighting, such as long lasting life, the capability of dimming, low voltage, non-mercury, and compact size, over traditional fluorescence lighting attract engineers’ attention to solve its shortcomings. Among the shortcomings, heat dissipation that affects both emitting spectrum and life is the main obstacle other than price in widely applying LED lightings. In this study, the heat dissipation problem in the ceiling mounted LED lighting fixture through natural convection heat transfer is the target problem to solve. Numerical models will firstly be established according to existing heat dissipation mechanisms to simulate the heat transfer process. The results of the simulation will be compared with the experimental data for verifying the models. Secondly, other designed mechanisms will be modeled and simulated to evaluate the performance of the mechanisms. Finally uses the LED construction which provides by the LEI YUEH enterprise limited liability company to install the thermal resistance to estimate LED Junction Temperature(Tj). Four 1W white light LED uses which by this research institute constitutes the lamps and lanterns mold train to carry on the analysis approximately the result demonstration, When the radiator is highly 40 mm, the radiation fin piece length is 27 mm and the radiation fin piece quantity is 16 pieces, the chip temperature may achieve 57C.
目錄
指導教授推書...............................................
口試委員會審定書............................................
授權書...................................................iii
誌謝.......................................................v
中文摘要..................................................vi
英文摘要.................................................vii
目錄....................................................viii
圖目錄.....................................................x
第一章 緒論.................................................1
1.1 研究背景及動機..........................................1
1.2 研究目的與方法..........................................3
1.3 文獻回顧...............................................5
1.4 論文內容...............................................6
第二章 分析熱傳之數值方法....................................8
2.1 有限元素法在熱流分析之應用...............................8
2.2 本研究之熱傳問題........................................9
2.2.1 固體熱傳問題.........................................10
2.2.2 熱源負載............................................10
2.2.3 流體熱傳問題.........................................11
2.3 數值模型之建立.........................................12
2.3.1 元素的選擇...........................................12
2.3.2 材料性質和網格建立...................................12
2.4 邊界條件設定...........................................14
2.4.1 傳導熱傳及對流熱傳邊界條件設定.........................15
2.4.2 空氣對流邊界條件設定..................................18
第三章 熱傳之實驗分析.......................................20
3.1 實驗模型..............................................20
3.2 溫度測量儀............................................22
3.3 規格化之散熱器.........................................23
3.4 特製化之散熱器.........................................25
第四章 結果與討論..........................................28
4.1 規格化散熱器改變散熱器與箱頂距離之實驗與模擬結果..........28
4.2 特製化散熱器改變高度及鰭片數量之實驗與模擬................31
4.4 晶片溫度(Junction Temperature, Tj)....................35
第五章 結論與未來展望......................................40
參考文獻..................................................42
附錄A 散熱器模型設計......................................44
附錄B COMSOL散熱器之模型分析..............................48


圖目錄

圖1.1 各種色光LED的Tj對其亮度的影響.........................3
圖1.2 兩種LED在不同Tj下操作相對亮度隨時間的變化..............3
圖1.3 HB-LED 封裝元件具有或未具有散熱鰭片在環境溫度為26°C 之下施以三種不同功率所得到各處的溫度。............................4
圖2.1 選擇材料性質........................................13
圖2.2 LED電路板設定為熱源.................................13
圖2.3 網格化.............................................14
圖2.4 壓克力箱數值模型之示意圖.............................15
圖2.5 壓克力箱頂部與底部初始溫度設定........................16
圖2.6 壓克力箱的縫隙處給予對流通量..........................16
圖2.7 各部分固體與氣體及固體與固體相接處設定為連續...........17
圖2.8 各部位外圍處設定為熱絕緣.............................17
圖2.9 空氣與固體各部分交接處設定為無滑動....................18
圖2.10 設定箱內外初始壓力差為0..............................19
圖2.11 設定空氣兩側為滑動/對稱..............................19
圖3.1 實驗用壓克力箱......................................16
圖3.2 固定散熱器及調整放置高度之螺絲........................17
圖3.3 在散熱器上放置熱電偶.................................17
圖3.4 T型熱電偶...........................................18
圖3.5 規格化散熱器之實體圖.................................19
圖3.6 規格化散熱器之數值模型...............................20
圖3.7 規格化散熱鰭片之幾何尺寸.............................20
圖3.8 特製化散熱器實體。由左至右為高度20 mm、12 mm..........21
圖3.9 特製化散熱器之數值模型。高度H = 12 mm.................22
圖3.10 特製化散熱器之數值模型。高度H = 20 mm.................22
圖3.11 特製化散熱鰭片之幾何尺寸。高度H = 12 mm...............23
圖3.12 特製化散熱鰭片之幾何尺寸。高度H = 20 mm...............23
圖4.1 L = 5 mm,H = 12 mm,N = 50實驗值及理論值............24
圖4.2 L = 10 mm,H = 12 mm,N = 50實驗值及理論值...........25
圖4.3 L = 15 mm,H = 12 mm,N = 50實驗值及理論值...........25
圖4.4 L = 20 mm,H = 12 mm,N = 50實驗值及理論值...........26
圖4.5 L = 5、10、15、20 mm實驗值之溫度比較圖...............26
圖4.6 L = 5、10、15、20 mm模擬值之溫度比較圖...............27
圖4.7 L = 5 mm,H = 12 mm、20 mm,N = 30、24、20、18之數值分析結果....................................................28
圖4.8 L = 5 mm,H = 12 mm,N = 24實驗值及模擬值............28
圖4.9 L = 5 mm,H = 20 mm,N = 24實驗值及模擬值............29
圖4.10 散熱器高度H、鰭片數量N與散熱器頂部溫度之關係圖.........30
圖4.11 散熱器高度H、鰭片數量N與發熱層溫度之關係圖.............30
圖4.12 電路板表面和Tj的溫度關係圖...........................31
圖4.13 散熱器高度H、鰭片數量N與散熱器Tj之關係圖..............32
圖4.14 L = 5 mm、H = 20 mm、N = 30之邊界層溫度分佈.........33
圖4.15 L = 5 mm、H = 20 mm、N = 24之邊界層溫度分佈.........33
圖4.16 L = 5 mm、H = 20 mm、N = 20之邊界層溫度分佈.........34
圖4.17 L = 5 mm、H = 20 mm、N = 18之邊界層溫度分佈.........34
1.Optoelectronics Industry Development Association (OIDA). Light emitting diodes (LEDs) for general illumination: An OIDA technology roadmap update 2002. Optoelectronics Industry Development Assn., Washington DC, 2002.

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