大功率范文

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關(guān)鍵詞：大功率 激光清洗設(shè)備

一、引言

激光清洗是一種新型激光表面處理技術(shù)。它是利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，高速有效地清除對象表面附著物或表面涂層，從而達到清潔材料表面的工藝過程[1]。其不需要清潔液或其它化學溶液，清除污物的范圍和適用的基材范圍廣泛，清洗的過程不損傷基材表面，因此它與傳統(tǒng)的化學清洗、機械刷磨、流體顆粒沖刷、超聲波清洗等相比具有獨特的優(yōu)越性，所以在許多領(lǐng)域成為不可替代的技術(shù)。是一種“綠色”的清洗技術(shù)[2-3]。

現(xiàn)階段大功率激光清洗設(shè)備主要由國外廠商生產(chǎn)，如德國CleanLaser公司，美國USHIO公司等，他們主要采用光纖耦合技術(shù)獲得大功率激光輸出。由于國內(nèi)光纖耦合技術(shù)的限制，使得國內(nèi)激光清洗設(shè)備的輸出功率一般在100W以下，無法滿足工業(yè)加工的需要。本文根據(jù)市場對大功率激光清洗設(shè)備的實際需求，選用半導體激光泵浦模塊，采用單程放大技術(shù)，研制了一臺輸出功率大于200W，清洗速度達到50cm2/秒的大功率激光清洗設(shè)備。填補了國內(nèi)大功率工業(yè)級激光清洗設(shè)備的空白，該設(shè)備可應(yīng)用于輪胎模具、銹蝕金屬板等工業(yè)清洗領(lǐng)域。

二、大功率激光清洗設(shè)備組成

大功率清洗設(shè)備主要包括電氣控制機柜、激光器組件和加工頭三部分，電氣控制機柜包括：冷卻系統(tǒng)、控制機箱、半導體泵浦電源、聲光Q驅(qū)動電源；激光器組件包括：激光諧振腔、聲光Q開關(guān)、半導體泵浦模塊、擴束鏡等；加工頭包括：掃描振鏡、振鏡驅(qū)動電路。加工頭通過導光臂安裝在激光器上。設(shè)備組成實物圖如圖1。

激光器組件采用半導體泵浦模塊作為泵浦源，由聲光Q開關(guān)調(diào)Q實現(xiàn)高頻脈沖激光輸出，脈沖激光束通過高速掃描振鏡的掃描，并由聚焦鏡聚焦，使激光束形成一定寬度的線狀光斑，光斑實際上是由高頻脈沖光點掃描形成。此線狀光斑作用在待加工工件表面，表面附著的污垢被高能激光沖擊脫落并通過吸塵器收集產(chǎn)生的粉塵，從而達到去除污染物的目的。

其功能組成框圖如圖2。

系統(tǒng)供電采用三相380V供電，分別給低壓供電單元、泵浦模塊電源（一）、泵浦模塊電源（二）、冷卻系統(tǒng)以及聲光Q驅(qū)動供電，綜合控制系統(tǒng)控制泵浦模塊電源（一）、（二）的輸出電流、激光調(diào)制頻率以及振鏡掃描參數(shù)，同時提供系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及顯示。冷卻系統(tǒng)為激光器提供冷卻循環(huán)水，對激光器泵浦模塊和聲光Q開關(guān)進行制冷。設(shè)備保護氣采用工業(yè)壓縮空氣，通過油水分離，去除雜質(zhì)并進行干燥對加工頭激光鏡片進行吹氣保護。

三、激光器組件方案設(shè)計

激光器組件是設(shè)備的核心部件，為了獲得大功率激光輸出，本文采用本振加放大的光路設(shè)計來提高激光輸出功率。激光器組件組成部分包括兩個半導體泵浦模塊、兩個單頭聲光Q開關(guān)、全反鏡、輸出鏡擴束鏡等，激光器通水冷卻。激光光路示意圖如圖3。

圖中全反鏡M1和輸出鏡M2組成本振級激光諧振腔，為了提高激光輸出功率，我們采用單程放大技術(shù)，在本振激光器中本振激光經(jīng)過放大級放大輸出，光路中的兩個聲光Q開關(guān)對半導體模塊產(chǎn)生的連續(xù)激光進行調(diào)制，輸出高峰值功率脈沖激光，采用兩個Q開關(guān)能大大提高鎖光能力，因此能得到更高單脈沖能量激光。為方便觀察，在激光器光路上增加紅光指示，紅光指示與激光輸出光路同軸。由于半導體泵浦模塊容易結(jié)露導致Bar條端面損壞，因此激光器需要放置在干燥的環(huán)境中，設(shè)計中將激光器部分進行氣密設(shè)計，并放入干燥劑。激光器輸出窗口加裝保護玻璃。激光束通過聚焦鏡聚焦入射到振鏡，振鏡高速掃描使激光束作用于待加工對象，實現(xiàn)激光清洗。

四、電氣控制方案設(shè)計

激光清洗設(shè)備電氣采用模塊化設(shè)計，各部分模塊包括：激光冷水機、泵浦模塊電源、聲光Q開關(guān)驅(qū)動電源以及綜合控制單元。綜合控制單元對各部分模塊進行控制，同時綜合控制單元還控制掃描振鏡工作。

激光冷水機供電要求為AC220V，清洗設(shè)備輸入電源為三相電，用其中一相為冷水機提供電源。

泵浦模塊電源有兩個，供電均為AC220V，控制接口包括電源輸出控制、電流大小設(shè)置以及電源故障狀態(tài)。

聲光Q開關(guān)驅(qū)動電源提供兩路射頻輸出和一個控制接口，射頻輸出分別接Q開關(guān)，控制接口由綜合控制單元I/O控制射頻輸出使能和射頻信號調(diào)制頻率。

綜合控制系統(tǒng)實現(xiàn)對泵浦電源、聲光Q開關(guān)驅(qū)動、掃描振鏡控制信號、冷卻系統(tǒng)等各單元的綜合控制，并提供工業(yè)控制接口和人機操控界面。

采用單片機嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，主要功能是控制系統(tǒng)加電順序，調(diào)節(jié)模塊泵浦電源電流輸出，以此控制激光器輸出功率，同時還需要控制高速掃描振鏡的掃描速度和角度。實現(xiàn)用戶輸入輸出接口等功能，。系統(tǒng)包括參數(shù)設(shè)置、鍵盤輸入、顯示界面等。監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，包括水流監(jiān)控、Q開關(guān)溫度監(jiān)控、電源狀態(tài)等。同時提供對外控制接口，接口控制采用RS-422串口設(shè)計。

綜合控制單元功能框圖如圖4所示。

五、調(diào)試及性能測試

首先對單個泵浦模塊加激光諧振腔組成的本振激光器進行靜態(tài)調(diào)試，測量輸入電流和激光輸出功率關(guān)系，測試表明激光輸出功率與輸入電流成正比關(guān)系。

在本振激光光路中全反鏡與泵浦模塊之間放入一個聲光Q開關(guān)進行關(guān)門調(diào)試，調(diào)整好聲光Q開關(guān)與光路的準直后，在仔細微調(diào)聲光Q開關(guān)，并在Q開關(guān)加上射頻信號，激光器內(nèi)由于聲光晶體在超聲波衍射效應(yīng)下腔內(nèi)損耗增大，激光器處于關(guān)門狀態(tài)，測得在單個Q開關(guān)最大關(guān)門電流時，插入聲光Q開光后激光器的連續(xù)輸出功率為85W，即單個聲光Q可以關(guān)住85W的連續(xù)激光。

同樣，在輸出鏡和泵浦模塊之間放入一個聲光Q開關(guān)，以類似的調(diào)試方法測試一個聲光Q開關(guān)關(guān)門效果，測試結(jié)果與前一個關(guān)門效果相當。

當兩個聲光Q開關(guān)同時放入本振激光器光路中，且按特定角度放置，仔細調(diào)整Q開光在光路中的位置，使其達到最好的關(guān)門效果時，激光器連續(xù)輸出功率為205W，可見，采用兩個聲光Q開關(guān)按特定角度放置進行關(guān)門比一個Q開關(guān)提高一倍多。

設(shè)備部件調(diào)試完成后，進行了三天約20小時連續(xù)工作拷機實驗，實驗前測得輸出激光功率為245W，拷機完成后對激光輸出功率復測，為248W，考慮到激光功率計測量誤差，可以看出激光器輸出功率基本沒有下降。隨后進行了測試實驗，主要針對激光器輸出功率、調(diào)制頻率、激光加工時掃描角度進行實驗，最終性能測試結(jié)果如表1。

六、結(jié)論

本文針對市場對大功率激光清洗設(shè)備的需求，采用本振激光加一級放大來實現(xiàn)高功率靜態(tài)激光輸出，同時采用雙聲光調(diào)Q設(shè)計，實現(xiàn)高峰值功率脈沖激光輸出。最終研制了一臺輸出功率大于200W，清除速度達到50cm2/秒的大功率激光清洗設(shè)備。經(jīng)過長時間的高強度連續(xù)拷機驗證，設(shè)備完全滿足工業(yè)級生產(chǎn)需要。改型設(shè)備填補了國內(nèi)大功率工業(yè)級激光清洗設(shè)備的空白，同時該型設(shè)備還可廣泛應(yīng)用于石材、金屬等物體表面的污垢、銹跡、油漆以及溶劑殘留物的清洗。

參考文獻

[1] 宋峰，鄒萬芳，劉淑靜等。激光清洗微電子元件[J].清洗時間，2006，22（1）：38-25.

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直接使用220伏交流電，并且功率大于1200W的用電器稱之為大功率電器。家用常見大功率電器：空調(diào)、電熱水器、電暖氣、電磁爐、微波爐、電吹風。電飯煲不屬于大功率用電器。

大功率插座，從插孔結(jié)構(gòu)到配線、插頭都嚴格滿足16安培（功率4000瓦）配置，能夠全面滿足大功率電器使用的承載要求。同時，其采用的熱動能防過載技術(shù)，將過載保護與電源開關(guān)合二為一，反應(yīng)高度靈敏，當電流負載不超過插座額定負載時，過載保護器不啟動，當電流負載超過插座額定負載時，過載保護器會發(fā)出警示并在一定時間bai切斷電源，負載越高電源切斷越快。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

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全方位突破

與大多數(shù)以中小功率UPS產(chǎn)品為主導的國內(nèi)廠商不同,科華從10年前就開始瞄準大功率UPS市場進行布局,并從行業(yè)細分市場入手,不斷積累經(jīng)驗。2004~2005年,科華加快了向大功率UPS市場進軍的步伐,此后數(shù)年大功率產(chǎn)品銷售額一直保持高速增長的勢頭。

2007年,科華公司10kVA以上中大功率UPS產(chǎn)品市場份額超過10%,進入中國UPS市場三甲,位居國產(chǎn)品牌第一。2008年,科華30kVA以上大功率UPS產(chǎn)品銷售額增長遠超過公司整體業(yè)績的平均增長。

從一開始只能生產(chǎn)20kVA~30kVA的UPS產(chǎn)品,到如今能夠生產(chǎn)數(shù)百kVA的大功率UPS產(chǎn)品,技術(shù)創(chuàng)新成了科華立足于大功率UPS市場的根本。現(xiàn)在,科華公司200kVA、400kVA的UPS產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)、批量應(yīng)用,同時達到了單機1200kVA的生產(chǎn)能力。科華曾先后參與國家7項UPS電源標準的制定。2008年,科華有4個自主研發(fā)項目被列入國家級重點項目。

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展,金融、保險、稅務(wù)、交通、制造等多個行業(yè)在過去幾年中對大功率UPS產(chǎn)品的需求一直呈上升趨勢。經(jīng)過不懈的努力,上述這些行業(yè)已經(jīng)成為科華大功率UPS產(chǎn)品穩(wěn)固的根據(jù)地。由大功率UPS產(chǎn)品的技術(shù)高度、應(yīng)用特點所決定,科華以前一直以直接面向終端用戶的方式為主,拓展高端市場,建立了許多高端樣板工程。近兩三年,UPS產(chǎn)品渠道扁平化趨勢日益明顯,市場競爭更加激烈,科華也在嘗試銷售模式的創(chuàng)新,積極尋找行業(yè)合作伙伴和產(chǎn)品配套商,開拓新的市場。“從2006年開始,科華進行了大刀闊斧的改革,進行項目制試點。”林清民介紹說,“比如,針對工業(yè)與制造業(yè)、高速公路等特殊行業(yè)應(yīng)用需求,科華成立了相應(yīng)的事業(yè)部,并將銷售與提供解決方案有機地結(jié)合在一起。”這種創(chuàng)新的復合型銷售模式為科華進一步開拓大功率UPS市場奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵在自己

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1光伏電池輸出特性及等效模型

光伏電池單體是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元，將光伏電池單體進行串聯(lián)、并聯(lián)后分裝就組成了光伏電池組件，把若干個光伏電池組件進行串聯(lián)、并聯(lián)后裝在支架上就形成了光伏電池陣列［1］。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其輸出特性受外界環(huán)境影響很大，只有深入了解其輸出特性，才能為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1.1光伏電池輸出特性光伏電池受外界環(huán)境如光照強度、溫度的影響很大，其輸出特性具有高度非線性。分別是利用PVsyst軟件［2］仿真的光伏電池在不同光照及溫度條件下的輸出特性。從圖中可以看出，隨著光照的增強輸出功率增大，隨著溫度的升高輸出功率減小，但在某一特定光照及溫度下存在一個最大功率點。

1.2光伏電池等效模型光伏電池本身就是一個P-N結(jié)，其基本特性與二極管相似。當光伏電池受到陽光照射時，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生電動勢，即電壓。這時如果在P型層和N型層焊接上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，把這樣的光伏電池單體串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。光伏電池等效電路可由1個電流源并聯(lián)1個理想二極管及一系列電阻組成，如圖3所示。串聯(lián)電阻Rs包括電池柵極電阻、基體材料電阻和上下電基與基體材料的接觸電阻、擴散層橫向電阻。其中，擴散層橫向電阻是Rs的主要組成。

2MPPT控制算法

由圖1、圖2可以看出，光伏陣列的輸出特性受電池表面溫度和光照強度的影響很大，不同的光照及電池溫度都可導致輸出特性發(fā)生較大的變化，其輸出功率也發(fā)生相應(yīng)的變化，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才能達到最大值。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏陣列的工作點，使之始終工作在最大功率點附近［4］。在MPPT系統(tǒng)中，確定優(yōu)良的算法是關(guān)鍵，本文采用電導增量算法。電導增量法是根據(jù)光伏陣列P-U曲線一階連續(xù)可導單峰曲線的特點，利用一階導數(shù)求極值的方法，即對P=UI求全導數(shù)。從光伏電池的P-U曲線可以看出，在某一特定光照及溫度下存在唯一最大功率點，且在該最大功率點處，功率對電壓的導數(shù)為零，即dP/dU=0。其中，U（k）、（Ik）分別為光伏電池當前電壓和電流，U（k-1）、（Ik-1）為前一周期的采樣值。為了使光伏電池輸出發(fā)生任何變化時，算法能夠涵蓋所有可能出現(xiàn)的狀況，需要用U（k-1）、I（k-1）的值進行判斷。如果U（k）-U（k-1）=0，則相比于前一周期，該時刻的電壓是恒定的，輸出沒有發(fā)生變化。在這種情況下，需要對輸出電流做進一步判斷，如果（Ik）-（Ik-1）=0，則光伏電池的輸出也沒有發(fā)生改變，不需要調(diào)整BoostDC/DC（升壓）變換器的占空比；若（Ik）-I（k-1）<0，表明工作點是向最大功率點方向靠近，需要對BoostDC/DC變換器的占空比加一個正的調(diào)節(jié)量U，使輸出達到最大功率點；若I（k）-I（k-1）>0，需對BoostDC/DC變換器的占空比加一個負的調(diào)節(jié)量-ΔU，使輸出朝向最大功率點靠近。

3MPPT控制仿真研究

3.1帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成由于光伏電池的電氣特性受光照、溫度的影響很大，當環(huán)境條件穩(wěn)定時，存在唯一的最大功率點；當環(huán)境條件發(fā)生變化時，即使負載保持不變，最大功率點仍將發(fā)生漂移。為了使負載在任何環(huán)境條件下都能獲得最大功率，本文在光伏陣列與負載之間加入MPPT控制裝置，帶有MPPT功能的光伏系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、MPPT控制裝置、BoostDC/DC變換器組成，通過脈沖寬度調(diào)制模塊（PulseWidthModulation，PWM）控制，調(diào)整BoostDC/DC變換器的占空比來實現(xiàn)MPPT［7］。

3.2MPPT控制仿真研究

3.2.1帶MPPT的系統(tǒng)仿真模型根據(jù)帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)建立matlab/simulink仿真模型如圖6所示。仿真模型主要由光伏電池陣列模型、MPPT、PWM、BoostDC/DC變換器以及負載等組成。圖6中，Subsystem是光伏電池陣列模型，L為儲能電感，Diode為快恢復二極管，C1為濾波電容，R為負載，IGBT為絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）。Subsystem內(nèi)部封裝的參數(shù)有電壓、電流溫度系數(shù)、串聯(lián)電阻、參考溫度（25℃）、參考太陽輻射（1000W/m2）、最大功率點電壓、最大功率點電流、開路電壓、短路電流。輸入?yún)?shù)有光照S、溫度T、光伏電池工作電壓U，輸出參數(shù)有光伏電池工作電流I、輸出功率P。其中，輸入端可以輸入任意光照和溫度，輸出端P即顯示MPPT輸出。PWM的輸入信號為帶有MPPT功能的光伏模塊的輸出電壓，即最大功率點對應(yīng)的電壓值，將該電壓作為指令信號，與光伏模塊的實際輸出電壓共同作用在BoostDC/DC變換器的IGBT上，通過改變IGBT的占空比，從而使光伏模塊的實際輸出電壓很好地跟蹤指令信號，即最大功率點對應(yīng)的電壓值。BoostDC/DC變換器利用儲能電感儲存的能量和電源一起向負載供電，達到升壓的目的。選擇HAMC制造的太陽能電池板進行仿真實驗，其技術(shù)指標為：Um=16.5V，Im=0.73A，Uov=22.50V，Isc=0.97A，Pm=12W。仿真時采用的步長為0.01，系統(tǒng)采樣時間為0.5μs。圖7是電池溫度不變，光照強度t=0.05s時，突然由1kW/m2增加到1.5kW/m2時的仿真結(jié)果，圖8是光照強度不變，電池溫度t=0.05s時，突然由25℃變?yōu)?0℃時的仿真結(jié)果。

3.2.2仿真結(jié)果分析從圖7仿真結(jié)果可以看出，當電池溫度不變，光照由1kW/m2增加到1.5kW/m2，在t=0.05s時，光伏陣列輸出功率也隨之由12kW增加到15kW，增加幅度為+3kW，光伏陣列輸出功率曲線會發(fā)生較小的突變，但是在新的功率點能快速趨于平穩(wěn)，使光伏陣列工作在最大功率點。從圖8仿真結(jié)果可以看出，當光照強度不變，電池溫度由25℃變?yōu)?0℃，在t=0.05s時，光伏陣列輸出功率也隨之由12kW降低到10kW，降低幅度為-2kW，經(jīng)過較小的突變后，系統(tǒng)也能及時地跟蹤到最大功率點，使光伏陣列輸出功率達到最大值。從圖1、圖2中得出，光伏電池在某一特定光照及溫度條件下，存在一個最大功率點，并且在最大功率點以后，光伏電池輸出功率急劇下降，最后下降為0。本文在光伏陣列與負載之間加入基于電導增量法的MPPT控制裝置以后，從圖7、圖8的仿真結(jié)果可以看出，在光照、溫度其中任何一個環(huán)境條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)都能夠?qū)崟r地跟蹤其變化，能使系統(tǒng)始終工作在最大功率點的范圍內(nèi)，穩(wěn)定性高，從而有效提高了太陽能的轉(zhuǎn)換效率。

4實用化應(yīng)用探討

在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在輸出參數(shù)實時變化的光伏陣列與負載之間接入MPPT控制裝置時，需要進一步做以下工作：（1）采用單片機或數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessors，DSP）實現(xiàn)對電導增量算法的編程，并進行MPPT控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。通過檢測光伏陣列的輸出電壓、輸出電流變化，利用軟件的精確算法來控制BoostDC/DC變換器的占空比，實現(xiàn)MPPT。（2）從光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體出發(fā)，綜合考慮安全性、實用性、經(jīng)濟性等方面的要求，設(shè)計MPPT控制系統(tǒng)的輸入、輸出接口電路，對其可靠性、穩(wěn)定性做并網(wǎng)測試。（3）綜合考慮光伏陣列的光電轉(zhuǎn)化效率、溫度范圍、電氣參數(shù)（輸出功率、峰值電壓、峰值電流、短路電流、開路電壓、系統(tǒng)電壓）等技術(shù)參數(shù)，對光伏電池充放電策略及充放電控制器做進一步研究。

5結(jié)論

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關(guān)鍵詞：LED；散熱技術(shù)；散熱性能

Abstract: combining with high power LED package structure and heat packaging technology, the development situation of high power LED to the package structure of heat transfer model establishment, and the high power LED to the heat dissipation design, through the simulation analysis of the cooling method and the design of the cooling radiator LED lamps and meet the requirements.

Keywords: LED; Cooling technology; Radiating performance

中圖分類號：TN305.94文獻標識碼：A 文章編號：

如何控制大功率LED的熱能量，保持LED結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)，是LED器件封裝和應(yīng)用設(shè)計必須著重解決的核心問題。國內(nèi)外器件研究者和制造者已經(jīng)對大功率LED的散熱問題做出了很多的努力，通過對芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使用表面粗化技術(shù)提高內(nèi)量子效率；優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，減少LED封裝的內(nèi)部熱沉數(shù)量、減薄熱沉厚度、優(yōu)化局部熱沉尺寸等來改善大功率LED封裝散熱性能；除了對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計外，同時有相當多的研究精力集中在尋找高熱導率封裝材料上，材料的熱導率越高，散熱性能越好。基于現(xiàn)有這些研究，本文以目前3種典型LED封裝結(jié)構(gòu)為例，進行溫度場模擬比較，系統(tǒng)地分析封裝結(jié)構(gòu)對LED散熱的影響。

1模型的建立

LED輸入功率為1W，電光轉(zhuǎn)換效率為15%，芯片尺寸為0.001m×0.001m，基板和金屬線路板的尺寸為0.03m×0.03m，周圍環(huán)境溫度為298K，器件與外界的自然熱對流系數(shù)為15W/（m2?K）。由于封裝透鏡采用的是環(huán)氧樹脂材料，其熱導率只有0.2W/（m?K），因此芯片通過透鏡的散熱量基本上可以忽略，芯片產(chǎn)生的熱量，主要是先傳給金屬基板和散熱器，再通過對流向空氣散熱。為了簡化模型，不考慮封裝過程各層之間的附加接觸熱阻，分析溫度場時采用穩(wěn)態(tài)熱傳導分析，LED施加的載荷是體載荷，即將8.5×10－9W/m3的熱生成率施加在芯片上。以O(shè)SRAM公司的GoldenDragon1W白光LED器件（型號LWW5SG）安裝在0.03m×0.03m金屬線路板進行仿真測試，結(jié)溫為359.14K，其熱阻計算式：

Rth=（Tpn－T環(huán)境）/p=（359。14－298）/1×0.85=71.93（K/W）

式中：Tpn為結(jié)溫；T環(huán)境為環(huán)境溫度；p為流經(jīng)介質(zhì)的熱功率。

所得數(shù)值和文獻[1]中提到的66.12（K/W）很接近，說明了本文ANSYS仿真的精確性和模型建立的合理性。

2封裝結(jié)構(gòu)對LED散熱的影響

2.1三種典型的封裝結(jié)構(gòu)

目前，LED有3種典型的封裝結(jié)構(gòu)：

1）基于金屬線路板的封裝結(jié)構(gòu)。該封裝結(jié)構(gòu)是將器件直接組裝在金屬線路板上，形成功率密度LED，金屬線路板是采用鋁或銅金屬作為電路板底材，可作為散熱熱沉使用，在基板上覆一層幾毫米厚的銅箔作線路。由于鋁本身為導體，鋁基板與銅箔之間必須采用一介質(zhì)作絕緣，由于低熱導率介質(zhì)絕緣層的存在使得金屬線路板熱導率有效值約為178W/m?K，模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1（a）所示。

2）傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)，如Norlux系列。該結(jié)構(gòu)以鋁板作為底座，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，鋁板同時作為熱沉，模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1（b）所示。

3）倒裝結(jié)構(gòu)，如LUXEON系列。該結(jié)構(gòu)將芯片倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅基座上，然后把完成倒裝焊接的硅基座裝入熱沉與管殼中，鍵合引線封裝，模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1（c）所示。

圖1三種典型的LED封裝結(jié)構(gòu)模擬圖

表1為LED單芯片封裝結(jié)構(gòu)所用材料及其參數(shù)。

2.2結(jié)果分析

運用ANSYS軟件計算得到3種LED封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖。SMN為器件中最低溫度值，SMX為器件中最高溫度值，用灰度變化表示溫度變化。為了能看清楚結(jié)溫區(qū)，圖中只給出芯片附近溫度分布情況，如圖2所示。從溫度場分布可以看出，3個圖的溫度最高點都出現(xiàn)在芯片即有源區(qū)。

圖2 三種封裝結(jié)構(gòu)芯片附近的溫度場分布圖

圖2（a）結(jié)構(gòu)是將芯片器件直接封裝在金屬線路板上，達到減少封裝內(nèi)部熱沉數(shù)量，從而改善大功率LED封裝散熱性能。本文主要考慮芯片―粘結(jié)材料―金屬線路板這一熱傳導路徑，跟其他兩個結(jié)構(gòu)比起來，該結(jié)構(gòu)熱沉最少、傳熱最快、結(jié)溫最低，結(jié)溫為355.58K，熱阻為67.75K/W，該結(jié)構(gòu)所用金屬線路板的熱導率（178W/m?K）比其他兩種結(jié)構(gòu)Al基板的小的多（230W/m?K）。可見，減少熱沉的個數(shù)可以有效地加快LED散熱，降低結(jié)溫。

圖2（b）結(jié)構(gòu)以鋁板作為底座，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，鋁板同時作為熱沉。本文考慮的傳熱路徑為芯片―襯底―粘結(jié)材料―基板，比結(jié)構(gòu)（a）多了一層熱阻（即藍寶石襯底），模擬出來的結(jié)溫為357.32K，比結(jié)構(gòu)（a）高了1.74K，在所研究的3種封裝結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)（b）傳熱最慢，結(jié)溫最高，熱阻為69.78K/W。

圖2（c）倒裝結(jié)構(gòu)中，為了使熱量不必經(jīng)熱導率低的芯片襯底藍寶石，2001年，Lumileds公司研制的AlGaInN功率型倒裝芯片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)芯片倒裝連接在硅基座上，熱量可以直接傳向熱導率高的硅基座，再傳向基板和散熱器，即通過降低內(nèi)部熱沉熱阻提高大功率LED的封裝散熱性能。由于芯片和硅基座通過凸點連接，所以模擬該結(jié)構(gòu)時的傳熱路徑為芯片―焊料―硅基座―粘結(jié)材料―基板，雖然比結(jié)構(gòu)（b）多一層熱阻，即芯片和Si基座之間的焊料產(chǎn)生的熱阻，但是倒裝結(jié)構(gòu)的結(jié)溫比正裝結(jié)構(gòu)更低，倒裝結(jié)構(gòu)的結(jié)溫為356.91K，比正裝結(jié)構(gòu)（b）低0.41K，熱阻為69.31K/W。在無法減少熱沉個數(shù)的情況下，倒裝結(jié)構(gòu)的總熱阻更小，同時與傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)相比，采用倒裝結(jié)構(gòu)，LED的光提取效率更高。

由上可知，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)可以有效地提高LED散熱性能，途徑最佳的是減少熱沉數(shù)量，次之降低熱沉熱阻，即提高熱沉材料的熱導率。只是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低結(jié)溫的幅度不是很大，僅幾個K的效果。綜上可知，基于金屬線路板封裝結(jié)構(gòu)（結(jié)溫355.58K）＜倒裝結(jié)構(gòu)（結(jié)溫356.91K）＜正裝結(jié)構(gòu)（結(jié)溫357.32K）。

3對流條件對LED散熱的影響

常見對流散熱方式有自然對流和強制對流兩種。對于小功率器件依靠其自身封裝結(jié)構(gòu)進行自然對流散熱一般可以滿足散熱要求，比如可以直接以金屬線路板作為熱沉向環(huán)境散熱，或者選擇熱導率較高、成本相對較低的金屬鋁作為LED的散熱基板。值得注意的是，金屬線路板和鋁基板的面積和厚度并不是越大越好。

圖3 LED結(jié)溫與對流系數(shù)的關(guān)系曲線圖

針對大功率器件、多芯片集成封裝的LED模組時，自然對流不能滿足要求，需要設(shè)計各種散熱器來加速流體流動，實現(xiàn)強制對流，如鋁散熱鰭片、風扇等，散熱器的形狀和尺寸直接影響強制對流的強度，本文以倒裝結(jié)構(gòu)為例，用不同空氣對流系數(shù)來近似代替不同散熱器的作用效果，系統(tǒng)地分析不同的對流系數(shù)對LED結(jié)溫的影響，其他條件與前面一致，結(jié)果如圖3所示，橫坐標為基板底面的對流系數(shù)，從15W/（m2?K）開始，步長為5W/（m2?K），空氣流體強制對流換熱系數(shù)范圍為20～100W/（m2?K），縱坐標為LED的結(jié)溫。由圖3可知，強制對流在一定的速度范圍內(nèi)能改善LED的散熱效果。當對流系數(shù)從自然對流15W/（m2?K）增加為強制對流的20W/（m2?K），結(jié)溫為345.5K，驟降11.4K，效果比文中前半部分通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)來改善散熱的效果要明顯得多。然而，隨著對流系數(shù)的逐步增加，結(jié)溫降低的速度慢慢減緩，當對流系數(shù)達到某一個值（如100W/（m2?K））時，結(jié)溫趨于一穩(wěn)定值，為313.0K。由此可以看出，當熱量從器件內(nèi)部靠熱傳導傳到器件表面時，要是能把傳導出來的熱量盡快散走，則可加速器件散熱、降低結(jié)溫。空氣本身傳熱性能很差，而強制對流是強制空氣流動，通過冷熱空氣交換散走熱量，空氣流動越快，散熱效果越好。

4結(jié)論

總之，提高大功率LED的散熱能力，是LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計要解決的重要問題。文章通過對三種典型封裝結(jié)構(gòu)LED器件的溫度云圖，比較得出：減少封裝熱沉能有效散熱；直接把芯片封裝在金屬線路板上結(jié)構(gòu)的結(jié)溫（355.58K）為3種封裝結(jié)構(gòu)中最低；倒裝結(jié)構(gòu)在提高外量子效應(yīng)和散熱方面比傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢。

參考文獻：

［1］余彬海，王浩.結(jié)溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展［J］.發(fā)光學報，2005，26（6）：761-766.

篇6

關(guān)鍵詞：大功率LED；散熱；封裝

1　引言

發(fā)光二極管（LED）誕生至今，已經(jīng)實現(xiàn)了全彩化和高亮度化，并在藍光LED和紫光LED的基礎(chǔ)上開發(fā)了白光LED，它為人類照明史又帶來了一次飛躍。發(fā)光二極管（LED）具有低耗能、省電、壽命長、耐用等優(yōu)點,因而被各方看好將取代傳統(tǒng)照明成為未來照明光源。

而大功率LED作為第四代電光源，賦有“綠色照明光源”之稱，具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)良特性，必將取代傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈而成為21世紀的新一代光源。普通LED功率一般為0.05W，工作電流為20mA，大功率LED可以達到1W,2W,甚至數(shù)十瓦！工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。其特點具有體積小、耗電小、發(fā)熱小、壽命長、響應(yīng)速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優(yōu)點。 外罩可用PC管制作，耐高溫達135度.，低溫-45度。廣泛應(yīng)用在油田、石化、鐵路、礦山、部隊等特殊行業(yè)、舞臺裝飾、城市景觀照明、顯示屏以及體育場館等，特種工作燈具中的具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于目前大功率白光LED的轉(zhuǎn)換效率還較低，光通量較小，成本較高等方面因素的制約，因此大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的特種工作燈具，中長期目標才能是通用照明領(lǐng)域。然而,隨著功率增加,LED所產(chǎn)生電熱流之廢熱無法有效散出,導致發(fā)光效率嚴重下降。LED發(fā)光效率會隨著使用時間及次數(shù)而降低,而過高的接面溫度則會加速LED發(fā)光效率衰減,故散熱成LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計要解決的核心問題。

2　熱效應(yīng)對大功率LED的影響

對于單個LED而言．如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出．則會導致芯片的溫度升高．引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值時．器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升．元件溫度每上升2℃，可靠性將下降l0％。為了保證器件的壽命，一般要求pn結(jié)的結(jié)溫在110℃以下。隨著pn結(jié)的溫升．白光LED器件的發(fā)光波長將發(fā)生紅移據(jù)統(tǒng)計資料表明．在100℃的溫度下．波長可以紅移4～9?nm．從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l℃．LED的發(fā)光強度會相應(yīng)減少l％左右．當器件從環(huán)境溫度上升到l20℃時．亮度下降多達35％。當多個LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時．熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。

3　國內(nèi)外的研究進展

散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導、對流、輻射。與其它固體半導體器件相比，LED器件對溫度的敏感性更強。由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在125℃以下工作，因此器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計，熱傳導和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設(shè)計時先從熱傳導方面考慮，因為熱量首先從LED封裝模塊中傳導到散熱器。

針對高功率LED的封裝散熱難題國內(nèi)外器件的設(shè)計者和制造者提出許多方法。現(xiàn)在傳統(tǒng)散熱方法有：鰭片散熱、風冷、液冷、熱管散熱、半導體制冷等。現(xiàn)在有些新方法也被陸續(xù)提出來，比如超聲制冷、超導制冷以及將多種散熱方法有效集成在一個器件之中。下面簡單介紹幾種常見散熱方法。

3.1被動鰭片法

散熱鰭片擔負著將發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍空氣中的使命。散熱片通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導到散熱片，散熱片通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導體。散熱片性能主要和材料的導熱系數(shù)、總散熱面積及形狀設(shè)計有關(guān)。材料導熱系數(shù)越高，傳熱能力越強，一般金屬的傳熱性能順序為：銀，銅，金，鋁。散熱鰭片形狀可設(shè)計成多種陣列，如條形陣列、圓柱針狀陣列等，如圖1所示鰭片法是目前經(jīng)常用的方式，結(jié)構(gòu)簡單；它的缺點就是散熱效率低，散熱能力有限，易受積塵等影響使散熱效率降低。

3.2傳統(tǒng)的主動式散熱法

主動式散熱法包括風冷和夜冷，但主要使用風冷。風冷主要是使用風扇進行強制的對流使熱量散發(fā)。因其安裝簡便、成本較低、散熱效果明顯、適應(yīng)性強、產(chǎn)品更新?lián)Q代靈活等特點成為當今散熱技術(shù)的主流。通常使用散熱片和風扇結(jié)合的方式，散熱片充分擴展的表面使熱對流面積大大增加，同時風扇增加對流系數(shù)從而散發(fā)更多的熱量。如圖2所示。但是它的缺點就是會需要額外的一個功耗，要增加它的能耗，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就好下降，而且它受惡劣環(huán)境的影響，它的性能也會發(fā)生變異。

3.3傳統(tǒng)的熱管技術(shù)

熱管利用蒸發(fā)散熱，使得熱管兩端溫度差很大，熱量傳導迅速，利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，如圖3所示。但其需結(jié)合其他散熱方式導致它的成本增加。

3.4 小結(jié)

目前,隨著功率型LED的亮度提升,驅(qū)動電流的日益增大,解決散熱問題已成為大功率LED

實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件。總的來說，具有低熱阻、良好散熱能力以及低機械應(yīng)力的新式封裝結(jié)構(gòu)是封裝體的技術(shù)關(guān)鍵。

4  發(fā)展趨勢

大功率白光LED具有很多優(yōu)點，其應(yīng)用面不斷擴大，可預見未來將進入普通照明領(lǐng)域，具有強大的市場潛力。對于LED的研究和開發(fā)，國際著名的照明公司均給予了其足夠的重視，并斥巨資投究與開發(fā)，研究的焦點主要集中在新發(fā)光材料、封裝材料等：Philips照明公司與HP公司合資的Lumileds Lighting公司；美國Cree、德國Siemens和Osram聯(lián)合；美國GE公司與Emcore公司合資的Gelcore公司；日本的日亞（Nichia）、Toshiba和Honda聯(lián)合等均投入大量人力、物力、財力進行研究，以期在這一新世紀光源領(lǐng)域占領(lǐng)制高點，如表1所示。我國LED產(chǎn)業(yè)從上世紀七十年代開始，一直緊跟世界LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。特別是近幾年來， 由于國家的重視，863光電子項目的投入，大學、科研機構(gòu)加大研發(fā)力度，各地方政府及企業(yè)投入增加，LED發(fā)展已具有一定的規(guī)模，并形成LED的產(chǎn)業(yè)鏈。

表1國外具有超高亮度LED領(lǐng)先水平的廠家

尤其最近幾年在大功率高亮度LED封裝技術(shù)上的突破和材料加工技術(shù)的實用化，連帶創(chuàng)造了很多應(yīng)用產(chǎn)品：顯示屏、照明、交通信號燈、汽車用燈、背光源等。總而言之，目前的大功率高亮度LED已經(jīng)在背光源、顯示屏、特種照明、信號燈等領(lǐng)域得到很好的推廣，普通照明和汽車前照燈等領(lǐng)域還處于剛剛起步的階段。但是隨著大功率高亮度LED技術(shù)的飛速發(fā)展，一旦解決了在技術(shù)和成本上的問題，將會對傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn)，LED成為普通照明光源的時日會越來越近。

參考文獻:

[1] 錢可元,鄭代順,羅毅.GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析[J].半導體光電,2006,27(3):236-239

[2] 李岳林.工程熱力學與傳熱學.第一版.北京：人民交通出版社，1999.124～169

篇7

關(guān)鍵詞變頻技術(shù)；能耗；通風機

機械通風是利用自然風降低糧食水分和溫度，從而達到糧食安全度夏，實現(xiàn)安全保糧目的的最為常用的一種技術(shù)手段。在倉庫使用的通風機中，從幾百瓦的風機到幾千瓦的風機均在使用。但是糧食水分、溫度、雜質(zhì)等不同，通風條件不斷變化，而使用的風機卻沒有改變，無形中造成了能耗的極大浪費。在實際使用中梅河口直屬庫探索了采用變頻技術(shù)，改變風機的電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整電機的輸出功率，在降低儲糧溫度的同時降低風機的使用能耗。梅河口地處我國東北，春季時，氣溫最低－12℃，最高10℃，空氣相對濕度40％～65％，很適合進行通風降溫。在降溫過程中使用的是11kW的離心風機。每年單貨位的通風機運行能耗達到7500元，本著節(jié)能減排的原則，我?guī)焯剿鞑捎米冾l技術(shù)，在降水、降溫的同時，降低能耗。

1試驗?zāi)康?/p>

采用變頻技術(shù)對大功率通風機進行改造后，檢驗是否能夠節(jié)省能耗，同時測算節(jié)省能耗的比例。

2試驗材料

2．1倉房情況（表1）選用梅河口直屬庫17號倉作為對照倉，選用梅河口直屬庫22號倉作為試驗倉。兩倉均為高大平房倉，均鋪設(shè)有地上籠通風道系統(tǒng)，安裝有糧情測控系統(tǒng)。對照倉：長59．76m，寬23．10m，裝糧高度5．9m，儲存2016年生產(chǎn)玉米6077t；通風系統(tǒng)為地上籠通風，3組，1機4道。裝有測溫電纜78根，每根電纜自下而上設(shè)4個測溫點。試驗倉：長47．76m，寬23．10m，裝糧高度5．9m，儲存2016年生產(chǎn)玉米4584t，通風系統(tǒng)為地上籠通風，2組，1機4道。裝有測溫電纜66根，每根電纜自下而上設(shè)4個測溫點。2．2通風設(shè)備離心風機參數(shù)：風機型號4－72－8C，額定功率11kW，風量18600m3／h，全壓1096．25Pa。試驗倉采用2臺風機。對照倉采用3臺風機。2．3糧食情況對照倉：2016年產(chǎn)烘后玉米，于2017年1月初裝倉結(jié)束，平均水分14．0％，通風前糧溫最高5．3℃，最低－8．1℃，平均糧溫－1．9℃，糧堆層間溫度差2．6℃左右。試驗倉：2016年產(chǎn)烘后玉米，于2017年2月底裝倉結(jié)束，平均水分14．0％，通風前糧溫最高9．9℃，最低－3．4℃，平均糧溫1．9℃，糧堆層間溫度差3℃左右。2．4變頻設(shè)備設(shè)備型號：西諾樂DSI變頻器。

3試驗方法

3．1對試驗倉使用的2臺離心通風機安裝變頻器。在不同變頻轉(zhuǎn)數(shù)下風機的功率、風量、全壓見表2。3．2選定變頻轉(zhuǎn)數(shù)45進行通風試驗，設(shè)置變頻轉(zhuǎn)數(shù)為45，變頻后的全壓為957．5Pa，風量為16764．13m3／h。3．3對試驗倉和對照倉進行通風降溫處理，并記錄通風時間。3．4通風一段時間后對兩倉的通風效率和通風能耗進行統(tǒng)計。3．5測定通風前后兩倉糧食的水分。

4試驗分析

4．1試驗通風時間試驗倉通風84h，對照倉通風72h。4．2試驗前后糧溫變化情況（見表3）在試驗過程中，使用變頻后的風機對試驗倉進行通風降溫同樣達到了降溫目的，降溫的時間要比對照倉長。試驗中的溫度是在未通風的情況下測定的，兩倉測得的糧溫和外溫的相關(guān)性不大。22號倉通風前后對比結(jié)果顯示，整倉平均糧溫下降1．4℃。4．3試驗前后儲糧水分變化情況（見表6）在試驗過程中分別對22號倉和17號倉扦取樣品進行水分檢測，試驗倉22號倉水分未發(fā)生明顯變化，而17號對照倉水分略有降低，下降幅度為0．1％。4．4能耗分析（見表7）梅河口當?shù)氐碾妰r為0．92元／kW•h。試驗過程中，試驗倉通風時間為84h，2組風道，變頻后的功率為9kW•h，共使用了能耗為1512kW•h。對照倉：通風時間為72h，3組風道，采用的為11kW的風機，共使用了能耗為2376kW•h。單位能耗的節(jié)省比例為：（0．244－0．222）／0．244×100％＝9．02％。4．5成本費用分析變頻器市場價格為2500元／臺，新型風機價格8000元左右，相比之下投入變頻器成本較高。解決當前通風能耗過高、降水多的方法是更換新型離心風機、混流風機等，但可借鑒此方法繼續(xù)利用大功率風機機械通風。

5試驗結(jié)論

篇8

大功率LED燈具主要由多孔型燈殼、透光罩、反光器、照明電源、LED燈珠、鋁基集成電路以及平板型翅片散熱器等組成。根據(jù)要求可將其設(shè)定為LED燈珠：型號為OSRAMLUW-W5AM，燈珠需要10顆左右，每顆燈珠額定功率為1瓦，電能轉(zhuǎn)化效率設(shè)定為80%，在仿真模擬軟件中使用二維點光源表示；鋁基集成電路板的長寬高結(jié)構(gòu)參數(shù)為180mm*92*1.5mm，線路板導熱系數(shù)設(shè)定為200W/(m*k),銅膜覆蓋厚度為60μm，導熱系數(shù)為380W(m*k)；平板型鋁翅片散熱器：散熱器長寬高參數(shù)為220mm*130mm*10mm，翅片厚度2mm，翅片間距及高度為：5mm，20mm,外殼導熱系數(shù)為200W(m*k)。采用Icepak仿真模擬軟件進行實驗時，工作環(huán)境參數(shù)定義為自然對流換熱模型，且周圍介質(zhì)環(huán)境為20°干燥空氣。該軟件計算域必須足夠大，一般情況下計算域選定為：重力反方向上的模型高度定為3倍模型參數(shù)，重力方向模型高度定為2倍模型參數(shù)，模型側(cè)面結(jié)構(gòu)參數(shù)定為0.5倍結(jié)構(gòu)參數(shù)，參考模型如圖1，利用三維軟件設(shè)計原理，可從不同層面對數(shù)據(jù)進行分析檢測，實驗過程中采用開放型邊界條件。

2大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計分析

2.1中心組合設(shè)計

首先采用等效電阻電路的處理方法，對散熱器三個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。三個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：翅片高度20mm；翅片間距6mm；翅片厚度2mm，然后根據(jù)CentralComposite設(shè)計原理對三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器散熱效果的影響，得出以下實驗因素水平編碼值表：表格中：r表示各結(jié)構(gòu)參數(shù)與中心點的間距。

2.2數(shù)學模型優(yōu)化設(shè)計

運用DesignExpert8.06，可計算出散熱器三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對于散熱效果的響應(yīng)值，最后得出下列方程式：上述方程中：xi、xj為變量編碼值；b0、bi、bji、bii,為計算系數(shù)；p為變量代號。

2.3散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳值確定

根據(jù)二次相應(yīng)曲面模型計算方法求得二次相應(yīng)面的對應(yīng)方程的穩(wěn)定取值點：利用上式可將回歸方程換算為矩陣的形式：然后利用求導法則對上式進行求導可得：求得駐點即各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值：假如在實際取值范圍內(nèi)無法求得駐點，即中心組核試驗確定的響應(yīng)面圖形為近似板型，此時需要對考慮邊界條件確定最佳值點。

3結(jié)語

篇9

關(guān)鍵詞：液壓伺服系統(tǒng) 擴張器 設(shè)計

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0098-01

1 液壓伺服系統(tǒng)的作用特點

液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動地、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、負載剛度大、控制功率大等獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

液壓伺服系統(tǒng)是從1950年開始出現(xiàn)的，幾十年來獲得了很大的發(fā)展，目前在各種技術(shù)領(lǐng)域里幾乎都廣泛的使用了液壓控制。液壓伺服系統(tǒng)的優(yōu)點可歸納成下列幾點。

（1）液壓執(zhí)行機構(gòu)的動作快，換向迅速。就流量—— 速度的傳遞函數(shù)而言，基本上是一個固有頻率很大的振蕩環(huán)節(jié)，而且隨著流量的加大和參數(shù)的最佳匹配可以使固有頻率增大到和電液伺服閥的固有頻率相比。電液伺服閥的固有頻率一般在100 HZ以上，因而液壓執(zhí)行機構(gòu)的頻率響應(yīng)是很快的，而且易于高速啟動、制動和換向。與機電系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)相比，固有頻率通常較高。

（2）液壓執(zhí)行機構(gòu)的體積和重量遠小于相同功率的機電執(zhí)行機構(gòu)的體積和重量。因為隨著功率的增加液壓執(zhí)行機構(gòu)（如閥、液壓缸或馬達）的體積和重量的增加遠比機電執(zhí)行機構(gòu)增加的慢，這是因為前者主要靠增大液體流量和壓力來增加功率，雖然動力機構(gòu)的體積和重量也會因此增加一些，但卻可以采用高強度和輕金屬材料來減少體積和重量。

（3）液壓執(zhí)行機構(gòu)傳動平穩(wěn)、抗干擾能力強，特別是低速性能好，而機電系統(tǒng)的傳遞平穩(wěn)性較差，而且易受到電磁波等各種外干擾的影響。

（4）液壓執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)速范圍廣，功率增益高。

2 液壓伺服系統(tǒng)控制的擴張器結(jié)構(gòu)及作用原理

圖1為液壓伺服系統(tǒng)控制的大功率擴張器結(jié)構(gòu)原理圖，該器械由油箱（1）、濾清器（2）、電動機（3）、液壓齒輪泵（4）、溢流閥（5）、擴張嘴（6）、三角加強肋板（7）、連桿（8）、拉桿（9）、大活塞桿（10）、大活塞（11）、大活塞內(nèi)部上通路（12）、小活塞（13）、銷軸（14）、機架（15）、活動鉸鏈機構(gòu)（16）、出油口（17）、回油通路（18）、進油口（19）、大活塞內(nèi)部下通路（20）、液壓缸（21）、小活塞桿（22）、刻度尺及操作手柄（23）組成。（如圖1）

圖1中，電動機3得電工作后，帶動液壓齒輪泵4，將高壓油泵入液壓缸21的左腔內(nèi)。此時，如果小活塞13處于中位，大活塞內(nèi)部上通路12和大活塞內(nèi)部下通路20不通，高壓油就通過溢流閥5流回油箱1。溢流閥5還起到調(diào)壓和過載保護的作用。當液壓缸缸體21的左腔充滿高壓油時，用手向左推動小活塞桿22一定的刻度，大活塞內(nèi)部下通路20使液壓缸缸體21的左腔與右腔連通，即左腔與右腔的油壓相等，由于大活塞11左端面的面積小于右端面的面積，由F=P×A可知大活塞11及大活塞桿10會向左運動相同的刻度，直到使大活塞內(nèi)部下通路20重新封閉為止；用手向右拉動小活塞桿22一定的刻度，大活塞內(nèi)部上通路12使液壓缸缸體21的右腔通過回油通路18與出油口17連通，即液壓缸缸體21的右腔油壓為零，由于液壓缸21的左腔油壓大于右腔油壓，大活塞11及大活塞桿10會向右運動相同的刻度，直到使大活塞內(nèi)部上通路12重新封閉為止；當小活塞13處于中間位置時，大活塞內(nèi)部上通路12和大活塞內(nèi)部下通路20都封閉，即使電動機3工作也無法改變大活塞桿10的位置，液壓油通過溢流閥5流回油箱1，即具有鎖止功能；利用作用在小活塞桿22上較小的力控制作用在大活塞桿10上較大的力，使大活塞桿10頂部的拉桿9左右移動，通過活動鉸鏈機構(gòu)16，拉動連桿8，連桿8再拉動三角加強肋板7，使之繞固定在機架上的銷軸14轉(zhuǎn)動，從而使擴張嘴6打開，實現(xiàn)擴張功能。

3 創(chuàng)新點結(jié)語

（1）加入了杠桿原理，通過調(diào)節(jié)力臂長短，能實現(xiàn)用小的輸入壓力獲得大的輸出擴張力的效果，液壓伺服系統(tǒng)精確控制的大功率擴張裝置的初始擴張力大于170 kN，擴張距離大于450 mm。

（2）結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本低。

（3）液壓伺服系統(tǒng)控制方式可提高機械效率、操作精度，且對營救人員技術(shù)要求較低。

（4）液壓伺服系統(tǒng)工作柔和平穩(wěn)，效率高，功率大，具有無級調(diào)控，自我，散熱良好，過載保護，自鎖等特點。

（5）可拆卸，便于維護，便于攜帶。

參考文獻

篇10

關(guān)鍵詞：排汽缸 能量損失 速度不垂直度 試驗測試

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0051-04

排汽缸是汽輪機的重要組件之一，它是連接汽輪機末級和凝汽器的中間部件，其主要功能是將汽輪機末級的排汽輸送至凝汽器中去，通過在凝汽器中對氣流的擴壓達到利用汽輪機排汽的余速動能的目的。由于末級排汽為亞聲速，排汽缸通過選取沿流向逐漸增加的橫截面積使汽流增壓至凝汽器壓力，以此減小汽輪機末級的壓力，以增加有用焓降，使得相對內(nèi)效率能夠有所增加[1]。

針對汽輪機排汽缸的相關(guān)試驗研究工作比較多，且多集中于仿真計算發(fā)展前期，以全尺寸試驗和模型試驗為主，主要是以試驗結(jié)果為依據(jù)進行結(jié)構(gòu)方面的相應(yīng)改進，以提高其氣動性能。相比較而言，全尺寸試驗成本較高，費時費力，而模型試驗相對試驗周期更短，成本更低，已成為排汽缸試驗研究的首選。Tajic L[2-3]等人采用1∶4模化的排汽缸模型對某排汽缸進行了試驗研究，主要考查擴壓器出口的相對位置和壁面粗糙度對排汽缸的影響情況。試驗研究結(jié)果顯示，擴壓器出口到前壁面的距離與排汽缸的氣動損失近似成正比例關(guān)系，該距離越小，其氣動損失越小；而壁面的粗糙度并沒有對缸內(nèi)的氣流運動產(chǎn)生顯著影響，因此，可以不考慮它的影響作用；葉頂間隙泄漏能夠提高排汽缸的氣動性能，但與此同時降低了末級葉片排的效率Kasilov[4]等人針對排汽缸內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，雖然能夠通過一些措施破壞排汽缸內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)，一定程度上降低排汽缸的損失系數(shù)，但同時也會增加排汽缸的氣動損失，需精心設(shè)計破壞排汽缸內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)的方法以降低排汽缸內(nèi)的氣動損失；付經(jīng)綸[5]等人對某單級透平的汽輪機排汽系統(tǒng)模型的內(nèi)流場進行了試驗及數(shù)值研究，通過數(shù)值模擬和試驗測試發(fā)現(xiàn)，非軸對稱模型內(nèi)流場的葉片表面的氣動力分布和出口流場分布在圓周方向均為不均勻分布，且由于其進口位置的氣流角影響，葉展方向的總壓變化強烈，造成擴壓器內(nèi)部的氣流分離現(xiàn)象惡化，嚴重影響了擴壓效果；趙寶珠[6]等人依托某氣動試驗風洞對某30萬kW汽輪機的排汽系統(tǒng)進行了試驗測試，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其喉部出口位置大約有20%以上的區(qū)域為負壓區(qū)，使得出口截面流動分布更為不均勻，嚴重影響了汽輪機的出力，相應(yīng)提高了機組運行成本。

該文主要針對某大功率汽輪機排汽缸進行相應(yīng)的模化試驗，以研究其氣動特性情況，主要通過排汽缸的能量損失和出口截面的速度不垂直度兩個指標來衡量排汽缸的流動損失情況，為今后的結(jié)構(gòu)改進工作提供一定幫助。

1 試驗方法

該模化吹風試驗是在低速風洞試驗臺上進行的，該試驗臺具有大流量、高壓頭，風量穩(wěn)定，壓力波動小，可以滿足試驗所需各工況對試驗條件的要求。圖1給出了進行模化試驗的排汽缸試驗臺的簡圖。

汽輪機實際工作過程中，氣流在排汽缸內(nèi)部的運動如下：從入口管道流入，經(jīng)過導流錐，氣流呈環(huán)形軸向流動，進入導葉柵，氣流在導葉柵的作用下從單純的軸向流動變?yōu)榫哂幸欢ㄖ芟蛩俣确至康男鳎鹘嵌扰c實際汽輪機末級動葉出口氣流相符，旋流的氣流流經(jīng)由內(nèi)弧體、背弧體組成的流道，流動方向由汽輪機軸向轉(zhuǎn)向徑向流動，從蝸殼一側(cè)的矩形出口流出排汽缸試驗件。

試驗測試的測點布置在總進氣管道和排汽出口端面，根據(jù)進氣管道的總壓、靜壓的測量結(jié)果，就可以計算出該位置的平均氣流馬赫數(shù)，作為試驗工況的控制參數(shù)進行調(diào)整進氣操作。試驗中，在穩(wěn)定工況下，該平均馬赫數(shù)的相對偏差小于1%；為避免氣流在流出排汽缸排汽口后直接排向大氣急速擴散，導致影響排汽口流場的流動，進行出口y量的探頭在測量時處于距離排汽缸出口邊緣40 mm位置的內(nèi)部，試驗過程中選擇五孔球頭探針進行相關(guān)量的測量，采用非對向測量方法，擬定系統(tǒng)的采樣時間為60 s。圖2為排汽缸出口截面的測點布置示意圖，為了確保流場測量的準確性，同時對流場結(jié)構(gòu)變化較大的角區(qū)和邊界區(qū)域進行了測點的局部加密。

2 試驗結(jié)果分析

針對汽輪機排汽缸氣動性能的評估以出口截面上的氣動參數(shù)分布情況進行，通過能量損失系數(shù)來考察排汽缸的能量損失，通過速度不垂直度來評估出口位置的流動情況。

能量損失系數(shù)定義為：

（1）

式中：P為測量位置靜壓；P*為測量位置總壓；Pin*為入口總壓；k為絕熱指數(shù)。

速度不垂直度：

評估排汽缸出口截面流動分布的參數(shù)，是出口氣流速度矢量對出口截面的不垂直度，即出口氣體流動速度和出口位置法線之間夾角的質(zhì)量平均值。

（2）

式中：為測量面內(nèi)速度分量；Vz為垂直于測量面的速度分量。

2.1 能量損失分析

圖3為該模型試驗件出口位置的能量損失系數(shù)等值云圖。通過圖3中可以看到，在該模型試驗件出口位置有3個比較高的能量損失區(qū)。左右兩個高損失區(qū)面積較大，損失值較高，這兩個高損失區(qū)是氣流流出徑向擴壓管，在蝸殼內(nèi)流向頂部矩形出口截面時，在其底部由機組子午面處分流，分別形成的兩個旋渦所造成。旋向相反的兩個旋渦相互作用，產(chǎn)生面積和損失值相對兩個高損失區(qū)較小的第3個高損失區(qū)，位于出口截面中間位置。

氣流在排汽缸中的流動主要是繞流導向葉柵、軸向轉(zhuǎn)徑向擴壓管以及蝸殼這3個組件。在導向葉柵中氣流實現(xiàn)流動方向變化，模擬末級絕對出氣方向，使氣流有一定的預旋，因此，可不考慮氣流是膨脹還是擴壓。該文認為主要是在軸向徑向擴壓管中擴壓，同時在擴壓管中氣流折轉(zhuǎn)90°，從軸向流動進入徑向流動。被收集到蝸殼體內(nèi)的氣流，沿蝸殼環(huán)狀通道流向頂部的矩形出口，沿蝸殼底部子午面發(fā)生分流，在向頂部流動的同時，因蝸殼中設(shè)置了斜板，氣流膨脹加速。由此看來，排汽缸的流動損失和不均勻性主要取決于來流的扭曲度以及擴壓管和蝸殼之間擴壓度分配。特別需要指出的是來流扭曲度決定出口截面左右兩側(cè)流動的對稱性，擴壓管的擴壓度決定流動損失的大小。

2.2 速度不垂直度分析

圖4為試驗件出口位置的速度不垂直度的等值分布云圖。由速度不垂直度的定義式可知，不垂直度的大小是排汽缸出口截面，亦即凝汽器進口截面氣流方向偏離截面法向程度的度量。這也是保證凝汽器氣動性能的要求條件之一。實質(zhì)上，速度不垂直度正比于出口位置的速度分量，這個分量愈大，速度不垂直度也愈高。從圖4中可以看到，排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結(jié)流動。

3 結(jié)語

該文通過針對某大功率汽輪機排汽缸進行模化試驗測試，考察排汽缸出口截面的能量損失和速度不垂直度評估排汽缸的氣動性能，結(jié)論如以下幾點。

（1）在排汽缸出口截面上存在左右兩個高損失區(qū)，是氣流流出徑向擴壓管，在蝸殼內(nèi)流向頂部矩形出口截面時，其底部由機組子午面分流，分別形成的兩個旋渦所造成；旋向相反的兩個旋渦相互作用，產(chǎn)生處于中間位置的第3個高損失區(qū)。排汽缸的流動損失主要取決于來流的扭曲度以及擴壓管和蝸殼之間擴壓度分配。

（2）排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結(jié)流動。

（3）針對該大功率排汽缸流動損失較大的情況，可通過改進排汽缸相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的方法來進行氣動性能優(yōu)化，主要包括出汽邊高度、斜板角度以及蝸殼上部偏移量等。

參考文I

[1] 黃樹紅.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] Tajic L，Bednr L.Exhaust Hoods of Double-Flow Arrangement[J].4th European Conference on Turbomachinery，2000.

[3] Tajic L，Bednr L，Hoznedl M.Exhaust Hood for the Steam Turbines of Single-Flow Arrangement[J].CMP Turbomachinery，2005.

[4] V F Kasilov.An Investigation of Facilities Acting on Swirl Flow in the Collection Chamber of the Exhaust Hoods for the Low-Pressure Cylinder in Steam Turbines[J].Thermal Engineering，2000，47（11）：984-990.