集成式大功率led路灯散热器的结构设计

集成式大功率 LED 路灯散热器的结构设计摘 要: LED 作为新一代绿色光源，正在被广泛的应用于照明行业。对于 LED 灯具来说，正常工作的前提是要具备良好的散热能力。利用 CAE 并结合正交分析法模拟分析了集成式大功率 LED 路灯散热器结构。通过分析翅片的高度、厚度、个数以及基板的长度、厚度、宽度等六个参数对其温度场的影响，得出较优的结构参数组合，使 LED 工作温度降低到要求温度以下，并使散热器的质量较轻。发光二极度管 LED( Light Emitting Diode) ，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