石墨烯散热器的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯散热器的设计方法，包括如下步骤：S1、基于已有铝制散热器的散热总面积，按照以下公式计算得到石墨烯散热器的散热总面积：

【技术实现步骤摘要】
石墨烯散热器的设计方法
本专利技术涉及散热器，更具体地说，涉及一种石墨烯散热器的设计方法。
技术介绍
LED芯片会发热，需要导出热量及散掉才能保持芯片工作的稳定性。因此，LED照明灯具都有散热器，散热器通常采用铝或其合金制品。石墨烯作为新兴材料，素有工业味精之称，其近乎全能的性能，在复合材料(树脂或塑料)中，能大大提升高分子材料的导热性能，同时材料的热辐射臂金属更高达到0.9以上，增加了散热效果。石墨烯复合材料的导热原理与铝及其合金的完全不一样。金属导热是通过电子传递，随着温度的升高，其导热率逐渐降低，石墨烯复合材料的导热是通过稳固分子晶体的振动声子传递热量，其导热率随温度的升高而升高。因为在导热机理上的差异，铝及其合金的导热散热的经验无法完全应用于石墨烯复合材料来设计散热器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种石墨烯散热器的设计方法，能够基于铝制散热器推算得到石墨烯散热器的散热面积，从而能够通过修改铝制散热器的设计来获得石墨烯散热器的外形和尺寸。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种石墨烯散热器的设计方法，包括如下步骤：S1、基于已有铝制散热器的散热总面积，按照以下公式计算得到石墨烯散热器的散热总面积：其中，S(GP)为石墨烯散热器的散热总面积，S(Al)为铝制散热器的散热总面积，h为对流换热系数，t1、t∞分别为散热器表面温度和环境温度，λ(Al)和λ(GP)分别为铝和石墨烯的材质热辐射系数，δ0为黑体辐射常数，T为开尔文温度；S2、修改所述铝制散热器的设计尺寸以得到石墨烯散热器的尺寸和外形。根据本专利技术的方法的一个实施例中，所述对流换热系数h采用空气的对流换热系数，为25w/m2。根据本专利技术的方法的一个实施例中，所述铝的材质热辐射系数为0.46，石墨烯的材质热辐射系数为0.94。根据本专利技术的方法的一个实施例中，所述黑体辐射常数为5.67×10-8w/m2。根据本专利技术实施例的石墨烯散热器的设计方法，能够较为精确地通过铝制散热器的散热总面积来推算石墨烯散热器的散热总面积，从而能够根据现有铝制散热器的外形尺寸来合理设计石墨烯散热器的尺寸和外形。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术一个实施例的石墨烯散热器的设计方法的流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提出一种石墨烯散热器的设计方法，该方法可用于采用石墨烯复合材料的LED散热器外壳的设计和评估，具体通过石墨烯复合材料和铝及其合金的热辐射差异导致的散热功率差来补偿，用石墨烯复合材料替换铝及其合金材料的设计功率，从而确定石墨烯散热器的外形和尺寸的方法。图1示出了根据本专利技术一个实施例的石墨烯散热器的设计方法的流程图。如图1所示，所述石墨烯散热器的设计方法包括如下步骤：步骤S1中，基于已有铝制散热器的散热总面积，按照以下公式计算得到石墨烯散热器的散热总面积：其中，S(GP)为石墨烯散热器的散热总面积，S(Al)为铝制散热器的散热总面积，h为对流换热系数，t1、t∞分别为散热器表面温度和环境温度，λ(Al)和λ(GP)分别为铝和石墨烯的材质热辐射系数，δ0为黑体辐射常数，T为开尔文温度；步骤S2中，修改所述铝制散热器的设计尺寸以得到石墨烯散热器的尺寸和外形。本专利技术首先建立如下数学模型，即：Pd＝Pe+PR(1)其中，Pe是对流换热功率，PR是辐射换热功率，PD是总散热功率。Pe＝S×h×(t1-t∞)(2)其中，h为对流换热系数，空气的对流换热系数一般采用25W/m2·K，t1、t∞分别为散热器表面温度和环境温度。PR＝S×λ×δ0×T4(3)其中，S为散热和辐射总面积，λ为材质辐射系数，δ0为黑体辐射常数(黑体状态下的斯特潘·玻尔兹曼常数)5.67×10-8w/m2，T为开尔文温度，0℃时开尔文温度为273.15K。因此，总散热功率为：Pd＝S×h×(t1-t∞)+S×λ×δ0×T4＝S[h×(t1-t∞)+λ×δ0×T4](4)考虑到石墨烯散热器材质的热辐射系数为0.94，而铝只有0.46，因此设计石墨烯散热器时，可以采用铝及其合金在现行成熟的模拟软件中制成散热器，然后再通过如下的公式推导，计算出对应石墨烯散热器的散热总面积，再对铝制散热器的设计图进行修改而得出石墨烯散热器的最终尺寸。公式推导如下：S(Al)×h×(t1-t∞)+S(Al)×λ(Al)×δ0×T4＝S(GP)×h×(t1-t∞)+S(GP)×λ(GP)×δ0×T4(6)其中，和分别表示铝制散热器和石墨烯散热器的总散热功率，S(Al)和S(GP)分别表示铝制散热器和石墨烯散热器的散热总面积。举例说明，当产品被要求在环境温度30℃的情况下，外壳温度不得超过80℃，那么由上述公式(7)可以计算得到：由该公式(8)表明，采用石墨烯散热器，散热总面积可相比于铝制散热器节省21％的面积。由此，可以基于以上公式(7)中石墨烯和铝制散热器的散热总面积关系来修改调整现有铝制散热器的设计尺寸，从而得到石墨烯散热器的外形和尺寸。下面以石墨烯散热片P1、石墨烯散热片P2和铝合金(6061)散热片L1为测试对象，将其分别组装在相同功率输入的LED灯板背后，通过对比采用不同散热片的LED灯板灯珠的温度及散热片表面温度，来验证本专利技术提出的上述公式的符合性。测试样品：石墨烯散热片P1尺寸：0.15*0.07*0.002m3；石墨烯散热片P2尺寸：0.15*0.06*0.002m3；铝合金散热片L1尺寸：0.15*0.07*0.002m3；LED颗粒：2835(9V1W)×48(12S4P)，输入0.6A，功率23W；PCB：材质铝，尺寸0.15*0.065*0.002m3，导热率2.0；测试环境：室内3.4×3.4×3.0m3，微风换气，未开空调，温度27.6℃；测试设备：JL-16A多通道温度测试仪、RXN-605D兆信直流稳压电源。测试方法如下：第一步，准备0.15*0.07m2铝基板和对应的散热片，并在铝基板背面均匀涂敷导热硅脂，然后用螺丝将铝基板和散热片锁紧。第二步，在铝基板上分别取6个LED灯珠引脚位置点使其均匀分布，在被测散热片取一灯珠背面点，共使用7个圆形热电偶。热电偶用satlonD-3温升胶/satlon606固化剂固化在被测表面上。第三步，LED通电后每隔一段时间，分别采集和记录热电偶的温度。通过以上测试方法所测得的数据如下：将石墨烯散热片P1和铝合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯散热器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、基于已有铝制散热器的散热总面积，按照以下公式计算得到石墨烯散热器的散热总面积：/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯散热器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于已有铝制散热器的散热总面积，按照以下公式计算得到石墨烯散热器的散热总面积：



其中，S(GP)为石墨烯散热器的散热总面积，S(Al)为铝制散热器的散热总面积，h为对流换热系数，t1、t∞分别为散热器表面温度和环境温度，λ(Al)和λ(GP)分别为铝和石墨烯的材质热辐射系数，δ0为黑体辐射常数，T为开尔文温度；
S2、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶建洪，
申请(专利权)人：深圳市鑫盛洋光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44