365纳米LED光源散热方式研究与应用.pdf

3232023中国家电科技年会论文集0 引言最常见的紫外线主要是来源于太阳辐射，根据波长可把紫外线分为长波紫外线（ultraviolet A，UVA）、中波紫外线（ultraviolet B，UVB）和短波紫外线（ultraviolet C，UVC），波长分别为320400 nm、280320 nm、100280 nm1。所谓紫外光固化就是指在适当波长和强度的紫外光照射下，光引发剂迅速分解成自由基，进而引发不饱和有机化合物发生聚合反应，最终生成交联结构大分子的过程2。紫外固化三防胶由于固化快、可靠性高、环保等优势，已逐步应用到各个领域，蒋海峰等人采用汞灯实现了紫外固化三防漆在航天电子产品中的应用，配合紫外固化炉固化后，涂层与印制板结合力达到2级及以上，防湿热、防霉变、防盐雾等三防性能符合GJB 150.9A-11A要求，满足航天电子产品三防防护要求2。紫外固化三防胶行业内通常采用汞灯进行光照固化。但汞灯功耗大，容易产生臭氧，低波段紫外光对人体有害，并且寿命比较短。随着LED技术的不断发展（图1为常见汞灯及UV LED封装），深紫外LED已在医疗、家电等各行业有了成熟应用3-5，电子行业内也在同步研究365 nm波段LED光源取代汞灯在紫外固化三防胶上的应用。由于紫外固化三防胶需要较大的固化能量，设计选型时，往往需要选择特定波段的大辐射通量灯珠，大辐射通量意味着灯珠功作者简介：冯烈（1992），男，中级工程师。研究方向：主要从事于电子产品焊接技术研究、仿真技术在电子制造领域的应用、生产质量和售后问题整改分析。地址：广东省珠海市香洲区前山金鸡路789号工艺部。E-mail：。365纳米LED光源散热方式研究与应用冯烈 徐敬伟 闫红庆珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000摘 要：随着LED技术的不断发展，深紫外LED已在各行业有了成熟应用，电子行业在同步研究365 nm波段LED型光源取代汞灯在紫外固化三防胶上的应用。由于紫外固化三防胶需要较大的固化能量，同时为满足生产节拍快、结构小型化的需求，往往需要选择大辐射通量灯珠和高密度的灯珠排布设计。因此，在设计LED光源时，为了保障长时间工作的稳定性，需要考虑采用合适的散热方式。采用ANSYS仿真软件，评估365 nm LED光源散热方式，通过设计水冷式散热模组，实现了365 nm LED光源的长期可靠性运行。关键词：365 nm波段；LED光源；ANSYS；散热Research and application of 365 nm LED light source cooling methodFENG Lie XU Jingwei YAN HongqingGree Electric Appliances,Inc.Of Zhuhai Zhuhai 519000Abstract:With the continuous development of LED technology,deep ultraviolet LED has been mature in various industries,and the electronics industry is studying the application of 365 nm band LED light source to replace mercury lamp in UV-curable three-proof adhesive.Due to the need for large curing energy,and to meet the needs of fast production and miniaturization of structure,it is often necessary to choose large radiant flux lamp beads and high density lamp bead layout design.Therefore,when designing LED light sources,in order to ensure the stability of long-term work,it is necessary to consider the use of appropriate heat dissipation methods.Uses ANSYS simulation software to evaluate the heat dissipation mode of 365 nm LED light source,and realizes the long-term reliability operation of 365 nm LED light source by designing a water-cooled heat dissipation module.Keywords:365 nm band;LED light source;ANSYS;Radiating中图分类号：TM925 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.073324 2023中国家电科技年会论文集耗较高；同时，为了满足生产节拍快、结构小型化的需求，通常采用高密度的灯珠排布设计。因此，在设计365 nm LED光源时，为了保障长时间工作的稳定性，需要考虑采用合适的散热方式。本文主要研究365 nm LED光源的散热方式，确认所需要的制冷功率以及光源散热情况。1 温度场计算的数学模型常物性、无内热源、稳态情况下三维热传导微分方程为：（1）对流传热的基本公式为：（2）式中：hc为对流传热系数（W/m2k）；As为换热表面的面积（m2）；Ts-f为换热表面与流体的温差（）。2 模型建立此次研究的LED光源灯板采用365 nm波段6868封装灯珠，灯珠封装材料简化为环氧树脂，铝基板基材为6061系列铝合金。整体模型如图2所示，整体尺寸为40040 mm，灯珠160个，铝基板底部面为水冷散热面，灯珠为热源，其他表面默认为自然对流换热。3 边界条件及网格划分模型整体采用四面体网格，网格尺寸设置为0.001 m，最终划分网格总数106436个，网格划分效果见图3。表1为本次仿真采用的材料物性参数，铝基板简化等效为铝合金6061，灯珠等效简化为环氧树脂封装材料，材料为各项同性的均匀介质。铝基板底部面为水冷散热面，本次仿真等效处理为对流换热面，设置300 W/m2为初始值，以300递进设置等效对流换热系数，直至达到目标冷却效果。灯珠为热源，单个灯珠为18 W满负载功耗，共160个灯珠，整体热源采用heat flow方式，总功率为2880 W，考虑UVLED灯珠光电转换，部分电能会转换为光能，大功率LED约60%电能转换为热能，即实际发热功率为1728 W。其他表面默认为自然对流换热，均简化采用15 W/m2的对流换热系数。图3 网格划分表1 材料热传导系数材料密度（kg/m3）导热系数（W/mk）热容（J/kgk）铝基板2700180963环氧树脂11200.214004 求解设置由于分析长时间工作下的散热效果，本次热仿真分析是采用与时间无关的稳态分析方法，采用Steady-State Thermal稳态热分析图1 汞灯及常见UV LED封装图2 散热器-散热膏-功率器件微观传热模型 3252023中国家电科技年会论文集模块（图4）进行热分析，其他项保持默认设置。5 仿真结果经过计算，得到了LED灯板的温度场分布情况（如图5，1-11分别对应对流换热系数为3003300 W/m2时计算结果），温度整体呈现中间高、两侧较低的分布状态（彩图请查看论文电子版）。图5 对流换热系数为3003300 W/m2时灯板温度分布分别对散热面在不同对流换热系数3003300 W/m2下的灯板温度进行了分析，随着散热面的对流换热系数增大，灯板温度整体呈现下降趋势，见图6。图6 不同等效对流换热系数下灯板温度情况统计不同等效对流换热系数下灯板最高/最低温度（见表2），当散热面对流换热系数为3300 W/m2时，灯板温度已下降到了60以下，达到了比较理想的状态。而风冷散热即气体强制对流方式，对流换热系数在20100 W/m2，无法满足此款灯板的散热需求。水冷方式通常可以达到10015000 W/m26的对流换热系数，为了保障稳定散热，此灯板需要采用水冷散热的方式。表2 不同等效对流换热系数下灯板最高/最低温度统计表序号等效对流换热系数（W/m2）板面最高温度（）板面最低温度（）温差（）1300375.8223.7152.12600207.28122.584.783900148.388.659.741200118.371.846.551500100.161.938.26180087.853.8347210079.147.931.28240072.443.528.99270067.240.22710300063.137.725.411330059.735.7246 散热方案考虑后续光照稳定性和LED光源可靠性，对灯板进行了调整，灯珠从365 nm波段6868切换为3535封装，整体一个灯组功耗为1200 W。整体LED光源散热方案如图7，单个LED光源采用铝合金散热板与铜管装配方式，灯板与铝制散热板装配，铜管以水路连接。整体通过水冷机制冷，冷却水通过水泵驱动，从水冷机出水，流入灯组，各灯组水路串联，铜管内的水流带走LED光源热量，最终流入水冷机与环境完成热量交换，形成闭环冷却模式。图4 稳态分析模块326 2023中国家电科技年会论文集7 实验验证根据使用需求，制定了14组LED光源组合模式（如图8），采用制冷功率1700 W和4000 W水冷机进行验证，环境温度24，满负载通电运行0.5 h/8 h后，测量记录灯板温度和水冷机水箱温度，实验结果如表3。表3 灯组长时间运行实验结果光源方案功耗（W）制冷功率（W）灯板温度（）0.5 h水温（）8 h水温（）1组120017005060253225-322组240017006070323832-383组3600170070804550/3组360040005060253225-324组480040005060253227-35从实验数据可知，1700 W制冷功率可满足最多2组LED光源长期运行的散热需求；4000 W制冷功率冷水机可满足最多4组LED光源长期运行的散热需求。8 结论本文通过采用ANSYS瞬态热分析方法，对365 nm LED光源图7 灯组整体散热方案及单个灯组散热方式介绍图8 灯组散热测试图散热方式进行研究，得到了不同等效换热系数下灯板的温度分布情况。此次采用的365 nm LED光源工作时，发热量较大，普通风冷方式无法满足散热需求，为了保障良好的散热效果，需要采用水冷散热方式。设计了一种串联式板式水冷换热方式，经过长时间运行验证，可以满足不同组合下LED光源的散热需求。参考文献1 张国华,岳金顺.深紫外LED的研究与应用J.中国照明电器,2015(03):1-4.2 蒋海峰,沈艳,包晓云,等.紫外光固化三防漆在航天电子产品中的应用J.制导与引信,2017,38(04):54-58.3 段颖颖,乜辉,陈禄文,等.UVC-LED过流式饮用水消毒装置的理论分析及光学模拟J.家电科技,2022(05):58-60.4 胡才双.UV-LED照明一体化灯具的研究与设计J.照明工程学报,2021,32(04):59-62.5 刘慧,赵伟强,闫劲云,等.紫外LED与计量技术J.照明工程学报,2020,31(02):7-10.6 刘婉,邹海荣,唐守杰,等.电动机环形水道冷却性能及流动特性分析J.上海电机学院学报,2015,18(04):228-231.