大功率LED透镜热学特性分析

许丹丹; 胡学功

doi:doi:10.3788/AOS201939.1023001

光学学报, 2019, 39 (10): 1023001, 网络出版: 2019-10-09

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Thermal Analysis of High-Power LED Lens

许丹丹 ¹胡学功 ^1,2,*

作者单位

¹ 中国科学院工程热物理研究所传热传质研究中心, 北京 100190

² 中国科学院大学, 北京 100049

图 & 表

图 1. LED灯的物理模型。(a)LED灯的外观照片;(b)透镜内部结构模型

Fig. 1. Physical model of LED. (a) Exterior photograph of LED; (b) interior structure model of lens

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图 2. 光学实验装置

Fig. 2. Optical experimental device

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图 3. 测量值与计算值对比(a)及红外测温图(b)

Fig. 3. Comparison between experimental and calculation results (a) and thermal infrared images (b)

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图 4. 透镜表面温度随x变化曲线图。(a)内表面;(b)外表面

Fig. 4. Variation of surface temperature of lens with x. (a) Inner surface; (b) external surface

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图 5. 透镜表面温度与时间的关系曲线。(a)内表面;(b)外表面

Fig. 5. Variation of surface temperature of lens with t. (a) Inner surface; (b) external surface

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图 6. 透镜内表面中心温度随发射率ε变化

Fig. 6. Variation of central temperature of lens inner surface with ε

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图 7. 透镜热应力随x的变化情况

Fig. 7. Variation of thermal stress of lens with x

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图 8. 透镜总位移随x的变化情况

Fig. 8. Variation of total displacement of lens with x

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图 9. 最大热应力和最大总位移随α的变化情况

Fig. 9. Variations of maximum thermal stress and maximum total displacement with α

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表 1计算所用材料参数

Table1. Material parameters used in calculation

Material	Density ρ /(kg·m^-3)	Thermal conductivity λ /(W·m^-1·K^-1)	Capacity ${c_{p}}_{}$ /(J·kg^-1·K^-1)	Young’s modulus E /GPa	Poisson’s ratio	Coefficient of thermal expansion /(10^-6 K^-1)
High borosilicate glass	2203	1.38	703	73.1	0.17	3.3
Aluminium	2700	201	900	69	0.33	23.4
Gallium nitride	6150	130	483	210	0.17	7.75
Thermal grease	2810	2.5	705	/	/	/
Air	1205	0.026	1005	/	/	/

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许丹丹, 胡学功. 大功率LED透镜热学特性分析[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1023001. Dandan Xu, Xuegong Hu. Thermal Analysis of High-Power LED Lens[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(10): 1023001.

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图 1. LED灯的物理模型。(a)LED灯的外观照片;(b)透镜内部结构模型

Fig. 1. Physical model of LED. (a) Exterior photograph of LED; (b) interior structure model of lens

图 2. 光学实验装置

Fig. 2. Optical experimental device

图 3. 测量值与计算值对比(a)及红外测温图(b)

Fig. 3. Comparison between experimental and calculation results (a) and thermal infrared images (b)

图 4. 透镜表面温度随x变化曲线图。(a)内表面;(b)外表面

Fig. 4. Variation of surface temperature of lens with x. (a) Inner surface; (b) external surface

图 5. 透镜表面温度与时间的关系曲线。(a)内表面;(b)外表面

Fig. 5. Variation of surface temperature of lens with t. (a) Inner surface; (b) external surface

图 6. 透镜内表面中心温度随发射率ε变化

Fig. 6. Variation of central temperature of lens inner surface with ε

图 7. 透镜热应力随x的变化情况

Fig. 7. Variation of thermal stress of lens with x

图 8. 透镜总位移随x的变化情况

Fig. 8. Variation of total displacement of lens with x

图 9. 最大热应力和最大总位移随α的变化情况

Fig. 9. Variations of maximum thermal stress and maximum total displacement with α

表 1计算所用材料参数

Table1. Material parameters used in calculation

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图 1. LED灯的物理模型。(a)LED灯的外观照片;(b)透镜内部结构模型

Fig. 1. Physical model of LED. (a) Exterior photograph of LED; (b) interior structure model of lens

图 2. 光学实验装置

Fig. 2. Optical experimental device

图 3. 测量值与计算值对比(a)及红外测温图(b)

Fig. 3. Comparison between experimental and calculation results (a) and thermal infrared images (b)

图 4. 透镜表面温度随x变化曲线图。(a)内表面;(b)外表面

Fig. 4. Variation of surface temperature of lens with x. (a) Inner surface; (b) external surface

图 5. 透镜表面温度与时间的关系曲线。(a)内表面;(b)外表面

Fig. 5. Variation of surface temperature of lens with t. (a) Inner surface; (b) external surface

图 6. 透镜内表面中心温度随发射率ε变化

Fig. 6. Variation of central temperature of lens inner surface with ε

图 7. 透镜热应力随x的变化情况

Fig. 7. Variation of thermal stress of lens with x

图 8. 透镜总位移随x的变化情况

Fig. 8. Variation of total displacement of lens with x

图 9. 最大热应力和最大总位移随α的变化情况

Fig. 9. Variations of maximum thermal stress and maximum total displacement with α

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