集成式大功率LED路灯散热器的结构设计

发光二极度管LED( L ight Em itting D iode) ， 作为新一代绿色环保型固体照明光源， 已经成为人们关注的焦点。它具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点。LED 发光时会有部分能量转化为热量， 因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作性能影响极大， 高温会导致芯片出射的光子减少， 色温质量下降， 加快芯片老化， 缩短器件寿命等严重的后果。因此为保证LED正常工作， 必须将其散发出来的热量及时的散发出去。目前大功率LED 芯片应用的越来越多， 据资料显示大功率LED 只能将约10% ~15%的输入功率转化为光能， 而将其余85% ~ 90%转化为热能 ， 因此散热问题更为严峻。

目前大功率的LED光源又分为两种类型， 一种是阵列分布式大功率LED 光源， 它是将数个LED进行阵列分布布置， 如图1 所示。另一种是集成式大功率LED 光源， 将数颗LED 集成封装在一起， 如图2所示。这两种类型的LED 灯具因LED 芯片布置方式不同， 在配光曲线、占用空间以及散热上面有所不同。相对来说， 集成式大功率LED 光源制成的灯具质量要轻， 在封装材料方面用料要少， 配光方面与阵列分布式大功率LED 光源相比也可以达到路灯照明的要求， 是以后的路灯发展趋势。但是因为散热相比阵列式要难， 因此寿命缩短， 成为阻碍集成式大功率LED光源发展的关键难题。

图1 阵列分布式大功率LED光源

图2 集成式大功率LED光源

本文主要是利用ANSYS有限元软件对集成大功率热源LED 路灯散热器进行结构优化设计。大功率LED灯具的使用温度要求在75 以下， 因此本次优化的目的是在力求在LED 芯片结温降到最低并小于75 的同时使散热器的质量有所降低。

1 热量传递理论与热分析

1. 1 热量传递基本理论

热量传递主要有三种方法: 热传导、热对流和热辐射。在LED路灯的散热系统里， 三种热量传递方式均有， 但是以热传导和热对流为主。热传导性强弱依赖于产品材料， 已有很多文章就此进行了研究， 而且经研究表明指出解决LED 散热问题的关键不是寻找高热导率的材料而是改变LED 的散热结构或者散热方式， 因此本文主要考虑因散热器结构的不同而导致的散热效果差别。

对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式， 把温差记为△t， 并约定永远为正值， 则牛顿冷却公式为:

式中h 表面传热系数， 单位W / (m2 K )。

A 换热面积， 单位m2。

由对流换热速率方程式( 1)可见， 要想增加对流换热量可以通过增加温差， 增加表面传热系数以及增加换热面积三种方法可以达到。对于自然对流换热的LED路灯来说， 增加温差和表面传热系数的方法不方便采用， 因此本文主要是通过增加换热表面积。

采用翅片是一种有效的增加换热表面的方法。它可以使热流量沿着肋高度方向传导的同时向周围的环境以对流或对流加辐射的方法散发热量。 散热面积越大， 散热效果越好， 但是并不成简单的比例关系。

1. 2 散热器模型建立

本文初步设计采用平直翅片散热器如图3所示。它的结构参数包括翅片厚度， 高度， 长度以及基板长度， 宽度和厚度， 利用ANSYS软件对这六个参数进行分析， 进行散热器的结构设计。

图3 初选散热器模型。

对与空气中接触的散热器外表面均设为自然对流， 对流系数为7. 5W / ( m2· K )， 环境温度设为40℃， 这样就可以保证一般的情况下LED 路灯的工作温度在75℃ 以下。由于灯罩的密封作用， 模型其他表面均定义为绝热。光源的体积是60 mm× 60mm ×8mm。LED 路灯功率为50W， 其中15%转化为光能， 85% 转化为热能， 所以将( 1. 47 ×106 )W m- 3的生热率载荷施加于芯片实体上。散热器材料采用ZL104铝合金， 导热率为147W /m ， 密度为2 650 kg /m3。在常规压力与表面粗糙度的情况下， 取铝铝之间接触热阻为4. 55 ×10-4m2· K /W 。

1. 3 优化设计

正交试验设计法具有完成试验要求所需的实验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法等对试验结果进行分析等优点。

本文为了缩小模拟的运算规模， 分析散热器各结构尺寸变化对其温度场的影响情况， 所以设计正交试验对该参数化模型进行多次热分析。把影响最终温度场分布的六个散热器结构参数作为因素， 每个因素取5个水平(见表1)， 以散热器质量和芯片最高温度为试验指标， 选取正交表L25 ( 56 )。

综合考虑LED灯芯的大小以及整个灯体的设计结构， 以及对散热器质量及体积的要求限制， 取翅片个数A 为( 5- 17)片， 翅片高度B 为( 20- 60) mm，翅片厚度C ( 1- 3. 8)mm， 基板厚度D ( 1- 3)mm， 基板长度E 与宽度F 均为( 150- 250)mm。具体五个水平取值如下表1所示。

表1 正交试验的参数表

1. 4 试验结果分析

实验结果及分析如表2所示。

表2 试验结果数据。

从表2可以看出， 翅片数目对芯片结温的影响最大， 翅片高度次之， 以后依次为基板长度、基板厚度、翅片厚度及基板宽度。即A > B > E > D > C > F。

翅片厚度对散热器质量影响最大， 翅片高度次之， 以后依次为翅片的数目、基板长度、基板宽度、基板厚度。即C > B > A > E > F > D。

根据分析结果绘制各个因素不同水平对温度目标的影响图， 如图4示。

根据质量公式可知， 各个参数在其他参数不变的情况下， 参数取值与质量结果成正比关系， 取值越大， 质量越大， 所以不再绘制曲线图。

图4 六个因素不同水平对芯片最高温度的影响

由极差分析结果可以得知不同的因素对两个目标的影响是不同的， 同一因素对于两个目标影响也不同。因此对于不同因素数值的选取应本着芯片最高温度保持最低为主要目标， 散热器质量最小为次要目标的原则进行。例如翅片厚度对芯片最高温度影响排在了第六位， 对质量的影响却是最大的。因此可以选择较小的翅片厚度， 在尽量不升高温度的同时， 使质量降低。

在25次的实验当中， 可以得知第25 次时， 即A5B 5C 4D3E 2F 1时， 效果最好。此时温度为59. 61 ℃ ，散热器质量为1. 61 kg， 结果如图5示。优化以后的结果为A5B 5C1D 5E5F 1。经验证， 此种情况下温度可以降到58. 09 ℃ ， 散热器质量降到0. 98 kg。结果如图6示。

可见通过正交分析达到了双目标优化设计的目的。

图5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散热结构下的稳态温度场。

图6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散热结构下的稳态温度场。

2 结论与展望

本文通过采用正交试验法和仿真模拟实验相结合对集成大功率光源LED路灯散热器进行了研究，用较少次数的仿真实验， 获得能基本上反映全面情况的试验资料， 并研究不同参数对LED 散热及质量的影响的程度， 进而得到一组优化的参数组合。这种优化方法对其他翅片形式同样适用， 对大功率集中式热源LED灯具的推广应用具有重大的意义。