介绍了TRIZ理论的基本原理和方法,运用矛盾冲突矩阵对液晶显示器LED背光源的散热问题进行了分析。由于LED背光源散热问题属于物理矛盾,在结合TRIZ理论科学效应和现象知识库的基础上,提出了基于条件分离的LED背光源散热问题的解决方案。理论分析和模拟计算结果表明,利用半导体的帕尔帖效应对背光源进行散热能获得非常理想的散热效果。
封装等各环节的技术进步;其次,采用良好的散热结构,将LED产生的热量及时散发出去,这是现阶段在LED产品发光效率不高状况下的关键举措。
目前,背光源中一般采用的是在放置LED灯条的一侧增加散热片[5](一般为铝箔或铝板),利用热传导和对流的方式进行散热,属于被动散热,它存在以下缺点:散热功能有限,一般只能使温度降低20%左右,而且当LED灯颗数较多时,散热片的面积将极为可观,这样会显著增加背光源的重量,违背光源轻薄化的要求。
4 TRIZ的散热方案设计
4.1 理想解确定
应用TRIZ理论解决创新问题首先要确定技术系统的理想状态,以此作为发明改进的方向。为了顺应液晶显示器发展趋势的要求,LED背光源在散热方面的理想状态为:
(1)LED的发光效率为100%,背光源无热量产生;
(2)在LED发光效率一定的条件下,LED产生的热量全部散发出去,LED温度无变化。
4.2 TRIZ矛盾分析
TRIZ理论把技术系统中的工程矛盾分为两种:技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指当用已知方法原理改进系统中的某一个子系统或参数时,会同时带来系统中其他部分参数的恶化,即当参数A 得到改善时,参数B 就会恶化。技术矛盾可通过分析和查询阿奇舒勒矛盾矩阵(图1所示),运用40个发明原理来解决[6-7]。理矛盾是指为了实现某个功能,同时对一个子系统或元件提出相反的要求。为解决物理矛盾,阿奇舒勒专门提出了四大分离原理,分别是空间分离、时间分离、基于条件的分离和系统级别的分离。
为了有效地给LED降温,背光源的体积必须足够大,以提供有效的散热空间;另一方面,为了达到薄型化的要求,背光源的体积(表现为厚度)要求足够小。上述矛盾可以简要概括为:背光源体积减小与体积增大之间的矛盾。这在TRIZ理论中,属于物理矛盾。综合分析4种分离原理的应用特点,针对LED背光源的散热问题,本文考虑空间分离和基于条件的分离两种分离方法,结合TRIZ的科学效应与现象知识库进行散热方案设计。
4.3 空间分离的散热方案
空间分离,是将矛盾双方在不同的空间上分离来解决问题。
具体实施方案为:改变灯条位置,LED作为光源与背光源其他部件独立开来,固定在系统上。利用光纤等介质,将LED发出的光线导入背光源中。由于将LED从原来背光源的狭小空间中解放出来,其散热空间增加,散热条件得到改善,使得温度上升幅度减小,达到保护LED的目的。本方案具体实施的技术难度较大,使用光纤作为传导介质,很难保证背光源的亮度与均一性,还可能造成光能利用率低下。
4.4 基于条件分离的散热方案
基于条件的分离,是将矛盾双方在不同的条件下分离来解决问题。可考虑将LED背光源的吸热与散热部分分离,并使热量传递可控,提升散热能力。通过查询TRIZ科学效应与现象知识库,发现半导体制冷[8-9]可以有效地实现上述功能。半导体制冷基于帕尔帖效应:当电流流过两种不同导体的界面时,将从外界吸收热量,或向外界放出热量(图2所示),吸收和放出的热量与电流强度I成正比。半导体材料具有明显的帕尔帖效应,是目前最好的此类制冷材料。
与常规冷却方式相比,半导体制冷具有以下优势:(1)可以把温度降至室温以下;(2)可精确控温(使用闭环温控电路,精度可达±0.1℃);(3)具有高可靠性(制冷组件为固体器件,无运动部件,寿命超过20万小时,失效率低);(4)不产生噪音。使用半导体制冷的LED背光源结构设计方案如图3所示。
在上述LED背光源中,半导体制冷器件由P型半导体、N 型半导体和导电金属组成,由背光源电路板提供直流电源,P型半导体接电源负极,N型半导体接电源正极。在背板靠近LED灯条的一侧(图3背板左侧),P型半导体和N型半导体上下对称布置,并通过导电金属块将二者连接起来,通入电流后在此金属面上形成吸热区域,对LED灯条进行降温;在背板的外侧(图3背板右侧),P型半导体和N型半导体上下对称布置,分别与导电金属块相连,然后与电源连接,通入电流后在此面上形成放热区域。背板左右两侧的两个P型半导体之间、两个N型半导体之间分别导通连接,具体方式可依实际需要而定(本方案中是在背板上穿孔使二者连接)。另外在半导体与背板之间作绝缘处理。在多颗LED的背光源中,为了实现比较好的散热效果,设计使用一对P-N半导体对两颗LED灯进行散热。即每一对P-N半导体对应两颗LED,多对P-N半导体之间通过串联连接在一起。
半导体制冷的散热计算和仿真分析
以本公司119cm(47in)液晶显示模块背光源为例,进行背光源的半导体制冷散热计算。(半导体制冷器设计原理参见文献[8])。
本款119cm(47in)液晶显示模块用于液晶电视中,使用了264 颗5630 型LED 灯,单颗LED的正常功耗为0.396W,LED的发光效率约为30%。通过测试,工作时LED的最高温度为55℃(有散热片的情况下)。现采用半导体制冷,希望将LED灯条的温度降低到室温(25℃,绝对温度298K)。根据热平衡,需要将LED工作中产生的热量全部吸收。计算时以每两颗LED灯为一组,这样每一对半导体制冷器冷端需要吸收的热功率(即产冷量)为:
半导体材料选择碲化铋[10],其电学参数如下:
优值系数Z=0.003 5K-1
温差电动势αn=αp=1.8×10-4(V/K)
导热率σn=σp=800(1/Ω·cm)
由于制冷器冷端和灯条之间、热端与空气介质之间存在着温差,因此制冷器冷热端温差比灯条与环境之间温差大(一般设温差大于5℃)。制冷器冷端温度Tc=295K,热端温度Th=300K,温差ΔT=5K.此温差状态下制冷器的制冷系数(即单位产冷量需要消耗的电功率)为:
一对P-N制冷器消耗的电功率为:
设每一对半导体两端的电压U=1.5V,则流过半导体制冷器两端的电流为:
设半导体元件截面积为S,长度为L,二者存在以下关系:
为了有效利用材料,设计P型半导体和N型半导体的截面与LED的截面相同。LED的外形尺寸为5.6mm×3mm×0.9mm,半导体截面积为:
单个P型或N型半导体的长度为0.31cm。
以上是对半导体制冷器中的一对P-N 半导体进行计算,其他P-N半导体采用相同的参数和结构布置,彼此串联连接。
为验证上述结构的散热效果,在有限元软件中建立了LED背光源散热结构的有限元分析模型(图4)。计算结果表明,当半导体中电流为0.058 7A时,LED的最高温度为28.84℃,比环境温度略高。同时分析得出了LED最高温度随电流大小变化的关系(图5)。
从图5中可以看出,随电流的增加,LED最高温度直线下降,这也验证了半导体的吸热量与电流成正比的关系。当电流接近0.1A时,可以使LED的温度降低到摄氏零度以下。
上述LED散热结构中,背板右侧的半导体块和导电金属的放置位置、PCB板以及电源布线可根据实际情况灵活选择,只需要满足形成回路的要求,就可实现将吸热与散热的部分分离开来(比如将散热部分放置在系统外部)。本方案实现了LED背光源吸热与散热部分的分离,采用主动制冷方式大大提高了背光源的散热能力,能将LED灯条的温度降到室温以下,达到了既能对LED进行有效散热,又能降低背光源厚度的目的,使原来的物理矛盾得到了完美的解决。
6 结 论
TRIZ理论成功揭示了创造发明的内在规律和原理,快速确认并解决了系统中存在的矛盾,而且它是基于技术的发展进化规律来研究整个产品的发展过程。相较于传统发明创新方法:头脑风暴法和试错法,TRIZ理论的最大特点是有明确的解决问题方向,即朝着理想解所在的方向进行发明改进。因此,运用TRIZ理论可以大大地加快发明创造的过程,显著提升液晶显示产品的创新水平。
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