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系統識別號 U0002-2002200811203300
中文論文名稱 高功率發光二極體燈具之散熱模組研製與分析
英文論文名稱 Fabrication and Analysis of Heat Dissipation Module for High-Power Light Emitting Diode Lamps
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 96
學期 1
出版年 97
研究生中文姓名 簡坤誠
研究生英文姓名 Kun-Cheng Chien
學號 694340315
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-01-24
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-楊龍杰
委員-陳育堂
中文關鍵字 高功率發光二極體  熱管理  熱管  散熱鰭片  自然對流 
英文關鍵字 High-Power Light Emitting Diode  package  heat pipe  heat sink  Nature convection 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究針對高功率發光二極體燈具所產生的廢熱加以分析探討,利用散熱模組有效解決廢熱問題,熱管理是固態照明發展的關鍵,攸關發光二極體使用壽命與發光效率。
本研究之散熱模組是利用技術成熟的熱管與散熱鰭片進行設計,並將設計完成之散熱模組透過電子散熱軟體,進行建模及網格化後加以疊代計算並採自然對流方式分析探討。在取得較佳的加工參數後,利用機械加工方式將散熱鰭片與熱傳機構加工完成。本論文所模擬分析之散熱模組計有燈泡型(12W)、室外景觀燈(12W及14W)、以多層基板結構(25W)、多晶片發光二極體路燈(120W)等。
多晶片發光二極體路燈散熱模組,其分析結果顯示,效率較佳者為驅動功率120W無加裝玻璃燈罩,該散熱模組之銅導塊平均溫度為56.13℃,燈具外殼溫度平均為38.9℃,平均總熱阻值為0.24℃/W,模組溫度穩態後中心位置平均照度值為390lux。
故明顯得知,在不外加玻璃燈罩狀況下為了提升自然對流效率,避免溫度增加影響光輸出,該如何針對二次光學設計使燈具輸出均勻照度,實為產品設計上相當重要之考量。
英文摘要 High-Power Light Emitting Diode (LED) has rapidly developed in recent years from indicators to illumination applications. Thermal management of these solid-state lighting is a critical design factor for the long-term reliability and luminance effect. Fabrication and analysis of heat dissipation module for high-power LED lamps are studied in this thesis. Results of the designed modules show that waste heat can be dissipated efficiently.
The modules in this research are built by using the mature technology of heat pipe and heat sink. Through the research with ICEPAK software, several CFD models are established to compute and analyse for the modules under natural convection. According to the design parameters from the simulation results, a series of heat dissipation modules are manufactured in practice. The fabricated modules are bulb style (12W), outdoor landscape lighting lamp (12W and 14W), multi-layer structure (25W), and multi-chip LED streetlamp (120W).
Input power, temperature distribution and illumination are measured in the experiment. Analyses of multi-chip LED streetlamp with heat dissipation module are discussed. The better efficiency is occurred in the case of non glass-lampshade module driven by power of 120 watts. The average temperatures of copper slot and lamp shell are 56.13℃ and 28.9℃ respectively, the average total thermal resistance is 0.24℃/W, and the average illumination in central position is 390lux under thermal steady-state. It’s apparent that how to enhance the efficiency of natural convection is still a challenge for high-power LED application. And to provide uniform illumination output could be another critical consideration for future lighting products.
論文目次 總目錄
中文摘要.....................................................................................................I
英文摘要 ..................................................................................................II
總目錄 ....................................................................................................IV
圖例目錄 ..............................................................................................VIII
表格目錄 ..............................................................................................XIII
符號說明...............................................................................................XIV
第一章 緒論
1-1 研究動機與目的 ........................................................................1
1-2 研究背景 ....................................................................................3
1-3 文獻回顧 ....................................................................................4
1-3.1 發光二極體(LED)文獻回顧..........................................4
1-3.2 熱管(heat pipe)文獻回顧..............................................8
第二章 理論簡介
2-1 發光二極體的構成元素及基礎原理簡介............................... 11
2-1.1 發光二極體(LED)的發光原理 ....................................11
2-1.2 白光LED製作方式.......................................................12
2-1.3 高亮度發光二極體........................................................14
2-2 熱管的構造及基礎原理簡介...................................................19
2-2.1 熱管(heat pipe)構造及作動原理..............................19
2-2.2 熱管限制........................................................................20
2-2.3 熱管性能評價................................................................22
2-3 散熱鰭片熱傳導原理簡介 ......................................................23
2-3.1 散熱鰭片(heat sink)熱傳原理.....................................23
2-3.2 接觸熱阻........................................................................24
第三章 高功率發光二極體散熱模組設計與製作
3-1 外部散熱模組設計...................................................................26
3-1.1 初始概念設計................................................................26
3-1.2 燈泡型散熱模組設計....................................................27
3-1.3 室外景觀燈A型散熱模組設計....................................28
3-1.4 室外景觀燈B型散熱模組設計....................................29
3-1.5 以多層基板結構散熱LED燈具模組設計...................30
3-1.6 Multi-chip LED路燈散熱模組設計............................. 31
3-2 電子散熱軟體(ICEPAK)分析..............................................36
3-2.1 燈泡型散熱模組軟體模擬分析 ...................................36
3-2.2 室外景觀燈A型散熱模組軟體模擬分析....................37
3-2.3 室外景觀燈B型散熱模組軟體模擬分析....................39
3-2.4 以多層基板結構散熱LED燈具模組軟體模擬分析 ..41
3-2.5 Multi-chip LED路燈散熱模組軟體模擬分析.............43
3-3 散熱模組製作...........................................................................46
3-3.1 燈泡型散熱模組製作 ...................................................46
3-3.2 室外景觀燈A型散熱模組製作....................................47
3-3.3 室外景觀燈B型散熱模組製作....................................48
3-3.4 以多層基板結構散熱LED燈具模組製作...................50
3-3.5 Multi-chip LED路燈散熱模組製作 ............................51
第四章 實驗方法與設備
4-1 實驗方法 ..................................................................................55
4-2 實驗設備...................................................................................56
4-2.1高功率發光二極體(High-Power LED).......................56
4-2.2 Multi-chip LED散熱模組(Heat Dissipation Module).56
4-2.3電源供應器(Power Supply).......................................57
4-2.4熱電偶線(Thermocouple)...........................................57
4-2.5溫度擷取器(Temperature Recorder)...........................58
4-2.6色彩照度計(Incident Color Meter)............................58
4-3 架設測試平台...........................................................................59
第五章 結果與討論
5-1 散熱模組的性能測試...............................................................60
5-1.1 熱電偶線校正 ...............................................................61
5-1.2 性能測試規劃 ...............................................................61
5-1.3散熱模組性能測試結果分析討論.................................62
5-2 散熱模組測試結果與模擬結果比較分析 ..............................74
第六章 總結與未來建議
6-1 總結 ..........................................................................................76
6-2 未來建議 ..................................................................................79
參考文獻 .................................................................................................80
附錄A.......................................................................................................83
附錄B.......................................................................................................86
附錄C.......................................................................................................87
附錄D.......................................................................................................88
附錄E.......................................................................................................89
附錄F........................................................................................................90
附錄G ......................................................................................................91
附錄H ......................................................................................................92

圖例目錄
圖1.1 First red LED by Holonyank & Bevacqua....................................1
圖1.2 LED封裝技術的演化..................................................................2
圖1.3 產生白光的方式...........................................................................5
圖1.4 超眾科技公司專利LED散熱結構圖:(a) 熱管I或L型
結構;(b)熱管U型結構......................................................6
圖1.5 王金樹、黃嘉猷等人專利LED散熱結構圖...............................7
圖2.1 P-N介面激光示意圖..................................................................11
圖2.2 產生白光LED的三種方式........................................................13
圖2.3 白光LED示意圖(藍光LED+YAG螢光粉).............................14
圖2.4 發光二極體剖面示意圖.............................................................15
圖2.5 Escape cone 示意圖 .................................................................16
圖2.6 TIP結構LED晶片....................................................................17
圖2.7 Double reflection LED結構 .....................................................18
圖2.8 熱管構造示意圖.........................................................................19
圖2.9 接觸表面間物理情形與溫度分佈圖.........................................25
圖3.1 LED散熱模組初始概念設計圖................................................26
圖3.2 LED燈泡型散熱模組設計圖....................................................27
圖3.3 LED室外景觀燈A型散熱模組設計圖....................................28
圖3.4 LED室外景觀燈B型散熱模組設計圖....................................29
圖3.5 以多層基板結構散熱LED燈具設計圖....................................30
圖3.6 Multi-chip LED路燈散熱模組設計圖......................................31
圖3.7 Multi-chip LED示意圖..............................................................31
圖3.8 熱傳機構模組示意圖.................................................................32
圖3.9 主體散熱鰭片示意圖……………….........................................33
圖3.10 散熱鰭片示意圖.........................................................................33
圖3.11 路燈熱傳機構核心散熱模組示意圖.........................................33
圖3.12 路燈燈罩設計圖.........................................................................34
圖3.13 燈罩上蓋設計圖.........................................................................34
圖3.14 路燈散熱系統橫向A-A剖面圖................................................35
圖3.15 路燈散熱系統縱向B-B剖面圖................................................35
圖3.16 燈泡型散熱模擬分析模型圖.....................................................36
圖3.17 燈泡型散熱模擬分析結果溫度及流場分佈圖.........................37
圖3.18 室外景觀燈A型散熱模擬分析模型圖.....................................38
圖3.19 室外景觀燈A型散熱模擬分析結果溫度及流場分佈圖........ 38
圖3.20 室外景觀燈B型散熱模擬分析模型圖.....................................40
圖3.21 室外景觀燈B型散熱模擬分析結果溫度及流場分佈圖.........40
圖3.22 以多層基板結構散熱之LED燈具模組分析模型圖................41
圖3.23 以多層基板結構散熱LED燈具分析結果溫度分佈圖...........42
圖3.24 以多層基板結構散熱LED燈具分析結果流場分佈圖...........42
圖3.25 Multi-chip LED路燈散熱模組模擬分析模型圖......................43
圖3.26 Multi-chip LED路燈散熱模組模擬分析結果溫度分佈圖......44
圖3.27 Multi-chip LED路燈散熱模組模擬分析結果流場分佈圖......44
圖3.28 燈泡型散熱模組製作完成圖流程:(a)鋁基材與熱管及散熱鰭片組立圖;(b)LED模組組裝配線完成圖;(c)LED
模組通電點亮驅動作動圖 ...................................................... 47
圖3.29 室外景觀燈A型散熱模組製作完成圖流程:(a)鋁基材及散熱鰭片、熱管、LED電路配線組立圖;(b)LED模組通
電點亮驅動作動圖 .................................................................. 48
圖3.30室外景觀燈B型散熱模組製作完成圖流程:(a)鋁基材A及B、散熱鰭片、熱管、玻璃燈罩等零件圖;(b)鋁基材及散熱鰭片、熱管、LED電路配線組立圖;(c)LED模組
通電點亮驅動作動圖 ...............................................................49
圖3.31 以多層基板結構散熱之LED燈具............................................50
圖3.32 以多層基板結構散熱之LED燈具正面電路配線圖................50
圖3.33 以多層基板結構散熱之LED燈具驅動點亮作動情形............51
圖3.34 路燈散熱模組熱傳機構製作完成圖流程:(a)熱傳機構銅導塊;(b)上、下壓板;(c)散熱鰭片;(d)熱傳機構組
裝完成圖 ...................................................................................52
圖3.35 鰭片與熱管裝配孔成型流程:(a)利用ψ2.5 mm鑽頭於鰭片上鑽削一底孔,鰭片需以萬能鉗固定;(b)以(H.S.S)高速鋼ψ8 mm標準圓棒做為沖頭;(c)ψ8 mm的孔延展成型過程;(d)ψ8 mm的孔延展成型後完成圖;(e)ψ8 mm
的孔可延展成型3.5mm的高度................................................53
圖3.36 路燈燈罩加工後完成圖.............................................................54
圖3.37 燈罩上蓋加工後完成圖.............................................................54
圖3.38 散熱模組與燈罩組立完成圖.....................................................54
圖4.1 高功率發光二極體.....................................................................56
圖4.2 Multi-chip LED散熱模組..........................................................56
圖4.3 195W D.C. Power Supply...........................................................57
圖4.4 T-type Thermocouple..................................................................57
圖4.5 Omega TempScan-1100 .............................................................58
圖4.6 Konica Minolta CL-200 Incident Color Meter ..........................58
圖4.7 測試平台架設示意圖.................................................................59
圖5.1 散熱模組溫度測試平台架設.....................................................60
圖5.2 溫度測試熱電偶線貼附處位置圖.............................................61
圖5.3 120W外加玻璃燈罩時平均溫度與時間關係曲線圖............. 63
圖5.4 120W外加玻璃燈罩溫度於11∼13分鐘間變化關係曲線圖..64
圖5.5 120W驅動功率(Add-Lens)照度值與範圍大小關係曲線圖....65
圖5.6 120W不外加玻璃燈罩時平均溫度與時間關係曲線圖..........66
圖5.7 120W不外加玻璃燈罩溫度於31分鐘後穩態變化關係曲線
圖 ...............................................................................................66
圖5.8 120W驅動功率(non-Lens)照度值與範圍大小關係曲線圖....67
圖5.9 120W驅動功率外加玻璃燈罩與不外加玻璃燈罩照度比較
值 ...............................................................................................68
圖5.10 180W不外加玻璃燈罩時平均溫度與時間關係曲線圖..........69
圖5.11 180W不外加玻璃燈罩溫度於36分鐘後穩態變化關係曲線
圖 ...............................................................................................69
圖5.12 180W驅動功率高度2 公尺照度值與範圍大小關係曲線圖..70
圖5.13 各驅動功率之總熱阻值比較分析 ............................................71

表格目錄
表2.1 LED發光層材料與能隙及波長關係........................................12
表3.1 燈泡型模組散熱模擬分析結果一覽表.....................................37
表3.2 室外景觀燈A型模組散熱模擬分析結果一覽表....................39
表3.3 室外景觀燈B型模組散熱模擬分析結果一覽表....................39
表3.4 以多層基板結構散熱LED燈具散熱模擬分析結果一覽表 ..41
表3.5 Multi-chip LED路燈散熱模擬分析結果一覽表......................45
表3.6 路燈散熱模擬分析各部位最高溫度分析結果一覽表.............45
表5.1 120W驅動功率路燈(Add-Lens)散熱模組照度測試值 ..........65
表5.2 120W驅動功率路燈(non-Lens)散熱模組照度測試值 ..........67
表5.3 180W驅動功率Multi-chip LED路燈散熱模組照度測試值...70
表5.4 各驅動功率Multi-chip LED路燈散熱模組平均測試值一覽
表 ........................................................................................... 72
表5.5 散熱模組測試結果與模擬結果比較分析一覽表.....................75





符號說明
E:能隙(eV) C:光速(m/s)
h:蒲朗克常數(J•s) λ:波長(nm)
ηext:外部量子效率
(External Quantum Efficiency) ηint:內部量子效率
(Internal Quantum Efficiency)
ηoptical:發光效率
(Optical Efficiency) σ:表面張力( N/m )
d:毛細管之孔徑( m ) ρv:蒸汽密度( kg/m3 )
μv:蒸汽流速( m/s ) qk:熱傳導效率(W)
k:材料熱傳導係數(W/m-K) A:熱傳面積(m2)
dT/dx:溫度梯度(K/m) Ri:接觸面熱阻(℃/W)
△Ti:兩材料介面間之溫度差(℃) lux:勒克斯(lux, lx)
照度是光通量與被照面之比值

參考文獻 參考文獻
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[28] Carier and Anderson “Resistance to Heat Flow Through Finned Tubing”, ASHRAE Trans. , Vol.50, 1944.
論文使用權限
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