毕业论文范文——基于Fluent仿真技术的LED路灯模组散热优化设计

河海大学本科毕业设计摘 要当前市面上在售的路灯主要有这两个类型：大功率集成封装式LED路灯和由多颗小功率LED组合而成的路灯。小功率LED组合而成的路灯的散热问题比较好处理。但是它的光衰较强，安装成本又较高。大功率LED路灯模组具有众多优点：首先，色彩和亮度的动态控制可灵活改变；其次，寿命长，超过5.5万小时；尺寸小；最后，环保，无有害金属、红外线和紫外线辐射并且耗电量低，它是使光通量升高的重要手段之一。大功率LED路灯是城市照明的发展趋势，但大功率LED的散热问题一直是个棘手的难题。LED是冷光源，光电转换率大约是15%20%，芯片产生的热量只能通过热传导的方式散出。随着输入功率的变大，散热变得困难，最后导致芯片结温过高1，大量的热聚集却没有散发出去会引起寿命变短、光效降低、荧光粉加速老化等一系列问题。现阶段是创建节约型社会的关键时期，全面普及LED是必然趋势，解决它的散热问题是全面普及必不可少的条件。 本文首先通过研究散热器各参数，如翅片厚度，翅片长度，基板厚度等进行矩形翅片散热器的建模，再在此基础上通过增大接触面积，改变翅片结构等原理进行优化整改：打孔型，波纹型，太阳花型。其次，通过有限元仿真技术对商业照明使用的LED路灯模组进行散热仿真模拟。使用Solidworks对其进行三维建模，其次通过ANSYS进行切割与画网格，最后使用Fluent对其进行散热仿真模拟，整理数据并分析结果。研究结果表明：1）在打孔型优化研究中，保持其他参数不变，观察打孔间距对散热性能的影响，实验结果显示在间距为4mm时散热性能最佳；2）在波纹型优化研究中，改变原有翅片结构，具有体积小的优点，针对波纹角的变化进行散热模拟，得出在波纹角为140时散热性能达到最佳；3）在太阳花型优化研究中，改变翅片分布结构，通过改变翅片的厚度进行散热模拟，在厚度为3mm时达到最佳。 关键词：LED路灯模组；有限元仿真；Fluent；散热ABSTRACTIn the current lighting market, there are two main street lights: high-power integrated package LED lights and a combination of multiple small power LED lights. Although the heat problem of low-power combination of LED lights is better resolved, its light degradation is stronger and the installation cost is higher. High power LED street lamp module has a lot of advantages: firstly, the dynamic control of color and brightness can be changed flexibly; secondly, long lifetime with more than 55,000 hours and small size; finally, environmental protection, no harmful metals, infrared and ultraviolet radiation and low power consumption. High-power LED is widely used in urban lighting, but its thermal dissipation has always been the bottleneck of application. As a cold light source, photoelectric conversion rate of LED is about 15% to 20%, the heat generated by the chip can only be dissipated through heat conduction. With the input power becomes larger, thermal dissipation becomes more difficult, and eventually lead to increasing the chips junction temperature, which will shorter the life of LED product, shift its color and degrade phosphors. As this stage is to create an energy-saving society, solving LEDs heat problem becomes indispensable for its broad application.In this study, we first study the parameters of heat sink, such as fin thickness, fin length, substrate thickness and so on, and then optimize the design on the basis of the principle of increasing the contact area and changing the fin structure, such as perforated, corrugated, sunflower types. The thermal dissipation simulation for commercial LED street lamp module is conducted by using the finite element simulation cooling simulation. First of all, three-dimensional modeling is achieved by using the Solidworks and finally we use the Fluent to simulate their temperature distributions.The research results show that: 1) in the punching type, when the other parameters are kept constant, the influence of punching distance on the heat dissipation is analyzed. The experimental results show that the heat dissipation is the best when the punching distance is 4mm. 2) in the corrugated type, the original fin structure is changed and the advantages of small volume are achieved. The heat dissipation simulation is implemented as the change of the corrugation angle. Results show that the heat dissipation performance is best when the corrugation angle is 140 . 3) in the sunflower type, the distribution and the thickness of the fins are considered as impact factors to simulate the thermal distributions, which show that the chip temperature is lowest when the thickness is 3 mm.Keywords: LED street lamp module; Finite element simulation; Fluent; Heat dissipation.目 录摘 要3ABSTRACT4目 录6第1章 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 研究内容与研究方法21.4 主要创新点2本章小结2第2章 国内外相关研究进展分析32.1 LED的发光原理32.2 LED的热学特性和热管理42.3 LED路灯的结构设计和系统组成72.4 LED路灯模组散热器的种类122.5 LED翅片与基板的设计参数142.5.1 散热器的翅片高度对结温的影响142.5.2 散热器的翅片厚度对LED结温的影响152.5.3 散热器的翅片间距对LED结温的影响162.5.4 基板厚度对 LED结温的影响162.5.5 基板截面面积对LED结温的影响172.6 有限元模拟方法介绍17本章小结18第3章 LED路灯模组的三维建模及热仿真结果分析193.1 本研究的 LED散热器设计方案193.2 散热材料的选用193.3 建立三维模型203.4 Fluent仿真原理介绍203.5 网格划分213.6 仿真结果分析和讨论21本章小结22第4章 散热器结构设计影响LED路灯模组热管理的仿真分析234.1打孔型散热器的热仿真结果分析234.2 波纹型散热器的热仿真结果分析284.3 太阳花型散热器的热仿真结果分析34本章小结40第5章 总结与展望41参考文献42致谢445第1章 绪论1.1 研究背景1907年，Henry Joseph Round发现半导体材料通电发光现象。二十年代初，俄罗斯科学家罗塞夫在研究半导体SiC时,在有杂质的P-N结中发现有光射出，研究出了发光二极管，但一直未受到重视。1936年，George Destiau 出版了一份报告，关于硫化锌粉末发射光。五十年代时，英国科学家发明了第一个LED，仅能发出不可视红外光。六十年代末，发明了第一个可见红光LED。到七十年代时，可发出灰白绿光。俄国科学家创造出黄光LED。九十年代早期，出现蓝光LED,但光源暗淡。九十年代中期时，制造出高强度绿光和蓝光LED,为白光LED的产生做了铺垫。1993年日本LED企业日亚化学使可见光领域的单色LED完整。1998年研制出由蓝光与荧光粉配合形成的白光LED，但光效只有5lm/W。到1999年光效已达到15lm/W，2000年时已达到25lm/W，2005年是50lm/W，2008年达到100lm/W，2015年200lm/W。目前商业照明使用的LED灯具以中、小功率灯具为主，尚无全面普及大功率LED灯具的能力。我国正在向节约型社会转变，高效率，低成本，绿色环保是大势所趋。目前散热问题是大功率LED普及的阻碍石之一。本文采用ANSYS仿真技术，研究散热翅片的结构优化，探索适用于大功率LED路灯模组的多种散热方案。1.2 研究意义 我国人口众多，人均不足，而我国又正处于快速发展阶段，工业化建设对能源的需求量极大，能源问题已经成为制约我国经济和社会更深层次发展的重要因素之一。创建节约型社会是解决我国能源问题的根本出路，是一项长期的战略任务。美国能源部预测2，随着半导体的效率提高、价格降低和照明质量的提高，美国将在2005年到2025年间可节约一次能源1万亿度，相当于少建41座100万千瓦电站，照明用户可节约1286亿美元，我国在2005年到2015年之间，半导体照明可累计节能4000亿度，为用户节约2600亿元电费支出，创造产值1500亿元，解决就业人口100万，2015年后，在本国使用半导体照明每年省电巨大，甚至比三峡电站的年发电量还大。 相比于其他灯具，LED具有很多优点。它耗电量低，75lm/W相比于等亮度的白炽灯能减少将近80%的耗电；色彩和亮度易动态控制，色彩纯度又很高；可实现连续可调和数字化控制；显色效果极好；寿命长，被称为“长寿灯”,寿命超过5万小时，如果连续点亮可用大约6年；绿色环保，无汞污染；体积小并且有多种色彩。1.3 研究内容与研究方法本文针对目前商业使用的LED路灯模组进行散热仿真分析，通过改善散热器翅片结构设计提高LED路灯模组散热装置的能力。本研究使用Solidworks建模软件对LED灯具的主体部分进行三维建模，主要有LED芯片，PCB板，基板与散热翅片。由于此模型形状结构复杂，不易仿真，故使用ANSYS将其切四分之一，并将其设置为对称，使之在变小的同时不影响后续结果，设置空气盒时保持仿真实验温度恒定，接着用Mesh为切好的四分之一与空气盒画上网格，最后用Fluent软件观察其温度分布，罗列各种方案不同部件的温度变化，分析结果，得到优化方案的最佳结果。1.4 主要创新点 采用Fluent流体软件对设计方案进行仿真实验，节省实验所需的大量金钱，时间与材料，本文优化采用打孔优化结构、波纹型优化结构与新型太阳花优化结构。本章小结本章首先介绍了LED的发展历史，在创建节约型社会的背景下，全面普及LED相关产品是社会发展的必然趋势，全面普及LED具有许多好处，不仅在提高生活质量，更是在省电的同时保护环境，LED是真正的绿色光源，本文将使用ANSYS与Fluent软件对优化方案进行实验模拟，得出最佳设计方案。第2章 国内外相关研究进展分析2.1 LED的发光原理 LED(发光二极管),是一种半导体固体发光器件，是由含砷（As）、镓（Ga）、氮(N)、磷（P）等化合物制成，由电极、光学系统和P-N结芯片组成3。LED是一块电致发光半导体模块，如图2.1用环氧树脂进行封装，针脚作为阴极阳极，起支撑作用。图 2.1 LED的基本结构LED主要是由P-N结芯片、光学系统和电极组成。如图2.2是N型半导体与P型半导体放在一个半导体基面上，交界面被叫做P-N结。P-N结是LED的核心部分，它具有单向导电性。若在半导体两端加上电压，则形成以自由电子作定向移动形成的电子电流的和被原子核束缚的价电子填补空穴形成的空穴电流，LED导通4。在P 区分布着大量的空穴，而自由电子大量存在于 N 区。加正向电压时，即P 区接电源的正极，N 区接电源的负极的时候，在电场作用下产生的载流子流动，载流子即为电子和空穴，形成了电流，即处于导通状态5。由于电场的作用，流动的载流子逐渐扩散，空穴和自由电子结合在一起，产生能量，并以光子形式不断释放，即电能直接向光能的转换。加反向电压时，即P 区接电源的负极，N 区接电源的正极的时候，产生比较少的载流子，电流无法形成，LED就不能够发光5。若反向电流过大，则LED 失效，因为反向击穿。图2.2 LED的发光原理照明发光二极管（LED），作为一种固态照明（SSL）技术，可以说是上世纪照明行业最大的进步。在LED中，电被转换成光。LED有公认的以下优点: （1）节能：使用LED与其他灯相比，可用更少的能量来发射等效的光。 （2）长寿命：由于其物理特性紧凑，LED比其他灯更持久。白炽灯大约1千个小时的寿命，因为它产生的热破坏灯丝，荧光灯大约持续1万个小时。而LED理论上可以持续5万个小时以上。（3）环保：与荧光灯不同，LED中没有汞，所以当需要丢弃LED时对环境是友好的。（4）宽色温：LED提供4500K-12000K的色温范围和-20至85的工作温度范围。 （5）快速启动：LED不具有低温启动问题，这与许多其他光源（例如金属卤素灯）不同。基于上述优点，到目前为止，LED被称为是第四代光源。它们在我们的日常生活中广泛应用，包括路灯，背光，汽车，甚至更广泛和深远地应用于在未来。 由于LED对整个人类社会的贡献，2014年诺贝尔物理学奖授予发明基于氮化镓的高效蓝色LED的三位科学家。2.2 LED的热学特性和热管理热量从高温物体传到低温物体或从物体的高温区域传到低温区域的过程被称为热传递，热传递的三种方式是热对流、热辐射和热传导6。（1）热对流是指通过流动的介质将热量转移到别处。（2）热辐射是只要物体温度高于绝对零度就可以通过向周围辐射电磁波的方式传递热量。 （3）热传导一般在固体上发生，由于两物存在温度差异，热量从高温传给低温，达到热平衡。LED 与白炽灯不同，是一种冷光源，它发出的光热辐射小，热量散发的也少，它是冷光。大多数情况下，路灯工作环境稳定（特殊天气情况除外），与空气发生的热对流也相对稳定。因此 LED 芯片产生的热量大多是由热传导向外散发热量的7。图2.3是 LED 真实产品图。图2.3 LED路灯模组由图2.4可明了芯片产生的热量，有两种途径将热量散发到环境中，一种途径是通过 PCB到基板再到散热器最后传导到空气中；另一种途径是通过蓝宝石（传热性能差）和环氧树脂散发到环境中。若想散热能力有所改善，则需改善这两种途径的散热能力。（1）LED 自身热阻的大小决定了芯片产生的热量能否有效导出，需要从它的封装材料，封装结构，制作工艺等解决8。（2）改用导热性能好的材料。用硅胶取代环氧树脂而蓝宝石可由陶瓷取代等。（3）改变LED与PCB板的距离，连接方式，PCB板的材料等。（4）基板的面积，材料，热传导率等参数。（5）散热翅片结构设计。是本文的重点研究对象。图2.4 LED系统的结构示意图 基于上图2.4LED系统的结构示意图，简单介绍一下各个结构。LED芯片或模块封装的第一个部件是电路板。目前，LED电路板可以分为五种类型:（1） PCB（印刷电路板）是最广泛使用的，由玻璃纤维和环氧树脂材料（FR4）组成。FR4是由编织玻璃纤维布和环氧树脂粘合剂组成的复合材料，几乎不透水。然而，FR-4的热导率非常低（贯通面：0.29-0.34W/（mK）;面内：0.81-1.1W/（mK）。PCB的制造技术相当成熟，成本也较低，但其缺点是热性能差,导致功率较低（远小于1W）。（2） MCPCB（金属基印刷电路板）通过金属板（铝或铜薄板）连接以增加PCB的导热性。这种的优点是MCPCB的接触表面温度远低于PCB的接触表面温度。然而，由于内部的介电材料，热导率仍然处在低水平。（3） IMS（绝缘金属基板）通过在铜板上的粘合剂直接结合来实现，其间没有PCB/ FR4材料。热传导率可以提高到约1.6W/（mK）。（4） CS（陶瓷基板）越来越多的被用作PCB或MCPCB的替代物。在CS中，将高聚合物介电材料的薄层涂覆在金属表面上以阻止金属板中的导电。CS的热导率可以提高到约50W/（mK），并且CTE(热膨胀系数)约为4ppm/ K。这种衬底的缺点是其尺寸限制约为5平方英寸或更低并且成本较高。（5） DCBS（直接敷铜基板）是一种先进的技术。制造过程经过氧气和氮气到达铜板和陶瓷（三氧化二铝，氮化铝）之间的界面，并且具有铜表面反应的氧化铜薄层形成。然后，当加热时，氧化铜和三氧化二铝或氮化铝相互作用以形成绝缘化合物。当介电水平为三氧化二铝时，热导率约为24W/（mK），并且CTE约为7ppm/ K。当介电水平为氮化铝时，热导率约为170W/（mK），并且CTE约为6ppm/ K。DCBS在上述种类的LED基板中表现出最佳的热性能。翅片的散热效率通常有限，但它是最广泛使用的散热解决方案。除了被动冷却之外，翅片散热器还用于主动冷却。因此，翅片散热器是将热量散发至环境的最基本的方法。在LED灯设计中，将LED封装放置在金属板上，然后将其附接到散热器是比较常见的。在此，LED中产生的热通过自然对流或强制对流从附接的散热器消散到环境中。到目前为止，在LED封装和产品中，对鳍式散热器的研究可以分为三类。主要介绍一下翅片设计和优化。当选择满足所需热标准的合适散热器时，需要评估和检查影响散热器效率和系统整体性能的各种散热片参数。散热器设计方法已经被许多研究者很好地概述过。在对LED应用中的散热片的广泛研究中，大多数研究者通过理论分析，数值模拟或实验进行鳍片参数的优化，包括间距，高度，配置，方向等。改变翅片参数是优化翅片性能的最有效的方法，并且已经开发了许多方法，诸如最小能量法，最小熵产生法等。鳍效率的提高导致LED结温度直接降低。Charles和Wang9设计了不同的翅片图案，包括矩形，梯形和倒梯形配置。倒梯形翅片的传热系数分别比梯形和矩形翅片高出约2510。罗旭10开发了一种半经验算法来优化LED路灯应用的板翅散热器，设计并优化了水平板翅式散热器的翅片高度，翅片厚度和翅片间距，目的是最大化散热和最少的材料。2.3 LED路灯的结构设计和系统组成LED路灯模组主要由压铸灯体，LED子系统，钢化玻璃透光罩，恒流驱动器，和盖板组成。如图2.5，图2.6，散热器分布在灯体背面。图2.5 LED路灯模组结构 图2.6 LED路灯模组拆后实物图如图2.7为LED 的正向导通电压（V）和正向电流（I）的非线性关系曲线。与普通二极管差不多，当电压低于横坐标上某个值时，也被称为导通电压VF，正向电流随电压增大，但变化不大，当电压超过这个值时，电流随电压增大急剧飞升。目前的功率型LED电流可以达到1A甚至以上，而电压一般只能为2-4V。图2.7 LED的正向导通电压（V）和正向电流（I）关系图 每个LED的正向压降都不同，变化范围也有可能比较大是因为生产工艺和温度的差异11。经上图分析知，导通电压附近的微小变化会使正向电流产生很大的变化，而LED发出的光子数量是流经P-N结的电流参数。若供电使用恒压，无法保证亮度的一致性，由于电流波动，LED的可靠性大大降低。所以，常使用恒流供电，既保证安全性与可靠性，又可实现理想的光谱12，图2.8是一个功率为 112W 的 LED 路灯13，LED 模块分为4组，每组为7个串联，4个并联，共28W。总体框图如图2.8所示：7串4并的结构，电压大致可到达24V，故选用的开关电源输出为28V，因此可使用降压型恒流源。因输入电压与输出电压近似，这样效率可达到更高。实验结论是从输入到输出总效率达到90%。这个方案的优点是可以插入调光系统程序。这样可以进一步节约电能40%以上，这个优点是直接恒流输出方案不能达到的。并且，此方案可以适用于不同的LED连接构架。图2.8 一个可调光三模块驱动电路示意图 发光模组根据不同用途，路灯的功率有45W、60W 至100W 等多种，而单颗功率型LED 的功率仅为13W，这样在由功率型 LED 设计成路灯时就牵扯到一个多个LED 的组合问题14。（1）全部串联在图2.9 所示的串联电路中，串联电路两端的电压很大因为每个LED电流相同，分摊相同的电压。根据标准，串联的LED总数不能超过十个。若超过，则它两端电压就超过了最大安全电压。如此的话，功率不得满足。串联电路的特点是一断都断，只要有一个LED电路产生断路，整个组合都不能再使用。而LED基板是一次用品，很少会进行维修，这样，后期成本太高，寿命太短，这样的可靠性是不能被接受的。图2.9 多个LED串联（2）全部并联 如图 2.10所示，将功率型 LED 并联起来，以满足功率要求。并联电路两端电压相等，若采用恒压源供电，理论上是可行的。可是每颗LED的伏安特性不尽相同。这样的话，流到每个LED上的电流就不一样了。为路灯的配光设计增大难度。并联组合时也可以使用大电流的恒流驱动。但这种方法也无法使每个LED上的电流相同。若某一支路断路，它原本的电流就会分配到其他支路上，使得电流过大，影响寿命。但这个方案的可靠性比串联电路好。通常需要对每个 LED 串联电阻来平衡电流。但那样会严重影响效率，所以不能并联太多LED15。图2.10 多颗LED并联（3）m 串 n 并模式 LED 阵列的主要模式是如图2.11所示，也被叫做几串几并。例如图2.11所示的为14串4并。在这个连结方式中，三个支路的电压相同，在同一支路上的LED电流也相同，通过恒流源供电，若某一支路某个LED断路，这一支路断路，原本的电流被分配的其他支路上，使得其他支路电流过大，影响寿命。 图2.11 14串4并模式 4）阵列化互连如图2.12所示，把m串n并里的LED全部再并联起来，将几个LED并联后又将并联完的模组串联起来，使得每个LED都是一个节点，独立存在，每一个LED的断路都不会引起其他的熄灭。这种阵列互连组合，用恒流驱动时，每组并联支路都是独立的，电流在每个并联支路里重新分配每个LED上的电流。前一二种方式，不仅占用空间大，可靠性也较低，消耗功率过大，不太适用于LED路灯模组的组合方式。而阵列化互连不仅提高了可靠性与安全性，也缩小了所需占有的空间，增大使用寿命16。图2.12 LED阵列化互连电路原理图 本文采用可靠性较高，寿命较长的阵列化互连电路，将9个LED阵列连接，如图2.12。 在 LED 路灯工作时，路灯会产生大量的热量，传统的白炽灯通电高温发光 而且白炽灯虽然伴随着发光也会发出热量，但白炽灯光谱中包含有大量的长波红外线会通过这些红外线将热量辐射出去。而 LED 路灯虽然被称为固态冷光源，但实际上只有约 20%-30%的电能转化为光能，而另外70%-80%的能量都要产生热量，且与白炽灯不同，过高的温度对白炽灯灯丝的发光影响不大（白炽灯灯丝温度可达几千度），但 LED 芯片的性能受温度的影响极大，过高温度会使芯片产生严重的光衰，导致 LED 寿命急剧下降，所以在 LED路灯的设计中散热系统是十分重要的14。 LED路灯主体包括LED，PCB和外壳。灯具亮度受裸芯亮度和灯体封装同时影响，就寿命而言，芯片的影响比较大。 在LED灯具中，PCB板是光源的载体，分布着全部的电控构件，直接对寿命和可靠性造成影响。外壳主要起保护作用，需要有好的防紫外线能力，抗老化和抗冲击性能，一般使用的材料是亚克力和聚碳酸酯。传统路灯的光源是高压钠灯，用不到恒流驱动装置和很好的散热装置。而LED路灯对温度要求比较高，因为LED的芯片性能随温度变化极大，需要将LED产生的热散出去，使之处在一个合适的温度范围，才能工作并保持其高的寿命。因此，散热器的设置对LED路灯显得尤为重要。与传统高压钠灯路灯相比，LED路灯具有以下几个优点，表2.1：1） 光具有单向性，没有漫射。2） 二次光学设计，可将光照射到想照射到的范围，使光照效率更高。3） 节能。2016年，我国白光LED光效大概160lm/W，国际上大约176lm/W;在我国，LED室内灯具光效高于90lm/W，室外灯具光效高于110lm/W，并且，还有很大的发展空间。相比而言，高压钠灯需提高功率后发光效率才能增长。综上，就光效而言，LED路灯较好，而光效好就意味着更节能，LED与荧光灯相比耗能仅为其二分之一，与白炽灯相比是八分之一。4） 显色性能好。LED路灯显色度高达80以上而高压钠灯显色度为25左右。5） 光衰小。LED一年光衰小于3%，高压钠灯1000小时光衰就已达到5%。6） 安全。LED是低压器件。7） 体积小。LED灯可灵活融入周围环境，做到景灯一体。8） 寿命长。LED灯的发光寿命长达5-10万小时，而高压钠灯不超过2万小时。9） 安装简便。不要整流器也不用埋电缆。10） 绿色环保。荧光灯，高压钠灯等光源里头含有有害物质汞，它们的生产与使用会对环境造成汞污染。LED是清洁光源，不含汞、钠等有害元素。表2.1 LED路灯相比于高压钠灯的优点序号对比项目高压钠灯LED灯1光源150W100W2年耗电量660度440度3色温2000-2500k3000-7000k4显色度20-2575-855光效光效低，光衰大光效高，光衰小6使用寿命50000h7发热量大小8环保汞和紫外线污染绿色光源9体积大小2.4 LED路灯模组散热器的种类 目前针对大功率 LED 产品的散热器设计思路主要有两种：其一是增大翅片散热器的对流换热面积，这方面的工作主要集中在增加翅片数量，减小翅片厚度，增大翅片高度等，但是这种思路会带来明显的弊端，如造成材料的浪费，使散热器重量体积变大，不符合目前大功率电子产品轻质化、小型化的趋势；其二是尽可能地增大散热器的热传导效率，常用的措施有：采用更大热导率的材料来设计散热器，如铜或铜铝合金，缺点主要是材料成本高；采用重力热管等高热导率的散热技术或者与传统翅片散热器组合使用，相比其他方案，这种改进设计的散热器成本可以控制的很低，且可靠度较高，因此更加适用于路灯产品。针对大功率电子元器件的散热难题，科研家进行深入研究，针对各种问题，提出了具体的解决方案和措施，就像电子设备的解决方案一样, 主动散热技术和被动散热技术是LED路灯常见的散热技术。这两种方法的关键区别在于是否需要外部电源。被动冷却通常不使用电源，例如通过自然对流和热管的散热器; 而主动冷却意味着存在动力源，例如具有冷却风扇和液体输送泵的强制对流。与主动冷却相比，被动冷却有制造容易，结构简单，灵活性，低成本和高可靠性的优点。然而，被动冷却的散热能力和效率总是受其尺寸和结构的限制。 对于一些高热密度应用，被动冷却不足，需要主动冷却。 (1)被动散热技术研究 以Djpankar Bhanja17为主的对某种T型散热器，通过ADM的方式对几个参数对辐射散热与自然对流换热的影响，得出散热器的散热效率决定于环境温度，基板温度和热几何参数。以Hsueh-Han Wu18为首的主要钻研COB封装的阵列型LED芯片结温，热阻与光效和芯片排练间距的关系。得出芯片的最小间距以3.12的温差高于最大间距，结温较高时影响光效。 以H.K.Ma19为主的通过数值模拟和实验钻研蜂巢型的散热器对大功率LED的散热效果，得出结果受蜂巢单元数量，翼肋间距比与长宽比影响，最终指出9片型散热效果最佳。(2)主动散热技术研究 以Z.MWan20为主的通过研究想要使用多孔微热沉散热系统来对大功率LED进行散热，通过实验与数值模拟的方式，得出实验结果，想要提高多孔微热沉的传热效率需要增大填充介质的流速，这样得到的外表面温度将远低LED能承受的最大温度。 以Barrau J21为主的设计了一款新型微通道散热器来实现电子器件的散热，结果表明，交错布置的比直肋微通道有更大的沿程流动阻力，也有更高的降温能力，使500W的电子器件稳定工作温度维持在80左右。以王志斌22为代表的一群科研家对大功率 LED 散热设计双进双出射流水冷方案，搭建了基于射流水冷的大功率 LED 散热系统实验平台,证明所设计散热系统具有良好的散热性能和均温性能。 表2.2 几种常见散热方式对比2.5 LED翅片与基板的设计参数 经过实验与研究分析得出结论，LED 的翅片与基板的一些参数大小会影响散热性能的高低，所以在本章中对翅片的高度、厚度、间距，基板的厚度与面积进行参数的设计。2.5.1 散热器的翅片高度对结温的影响 图2.13为LED 散热器性能与翅片高度的关系。在其他参数不变的情况下，只改变翅片高度时，随着高度的变大（翅片接触面积变大），LED芯片的结温先是骤降，当高度达到一定值时，结温下降的趋势就变得缓慢，在10mm后就逐渐趋于一个稳定的状态。图2.13表明，散热性能是随着高度的增加而提高的，选择大的高度可以获得好的散热性能，但出于经济成本，美观实用的考虑，翅片并不需要太高，若太高，既浪费材料也不利于安装运输。结合实际与市场分析，本文选用翅片高度为30mm。 图2.13 散热性能与翅片高度的关系2.5.2 散热器的翅片厚度对LED结温的影响 图2.14为LED 散热器性能与翅片厚度的关系。在其他参数不变的情况下，只改变翅片厚度时，随着厚度的变大，LED芯片的结温逐渐升高。图2.14表明，散热性能是随着厚度的增加而降低的。薄翅片的散热性能固然很好，但加工难度太大，使用中容易变形，因而不予考虑，而翅片到达一定厚度时，增加翅片厚度，就意味着翅片间距的减小，不利于散热，结温因此而升高。综合加工工艺，经济成本与性能等影响因素选择翅片厚度为2mm，结温不至于过大，而工艺也可以满足。 图2.14 散热性能与翅片厚度的关系2.5.3 散热器的翅片间距对LED结温的影响 在其他参数不变的情况下，改变翅片间距时，翅片数量随之会变少，随着间距的变大，LED芯片的结温不规律变化。 图2.15为LED 散热器性能与翅片间距的关系。间距比较小时，翅片数量很多，因为比较密，与空气接触并散发出去的实际的效率是比较低的，这时反而是近似于一个实心圆柱体，散热性能较差也比较难加工，成本太高。随着间距的增大，散热性能不断提高，在0.5时芯片结温最低。但是，当间距继续增大时，意味着翅片数量的减少，这时散热效果也会下降。综合各类影响因素，选择间距为5mm时最佳。图2.15 散热性能与翅片间距的关系2.5.4 基板厚度对 LED结温的影响 基板需要材料便宜易得，强度高，耐热，稳定，导热率高等优点。可以选用铝、铜、合金、陶瓷、硅等。图2.16是LED 散热器性能与基板厚度的关系，在其他参数不变的情况下，改变基板厚度时，随着厚度的变大，LED芯片的结温不断降低，在厚度为8mm时达到相对稳定。基板过厚对散热性能的提升没有过大的影响还会造成材料的浪费，结合市场需求与成本的考虑，选用厚度为3mm的基板。图2.16 散热性能与基板厚度的关系2.5.5 基板截面面积对LED结温的影响 在其他参数不变的情况下，随着基板截面面积的增大，结温降低，即散热性能提高。初始截面面积较小时，增大面积可以大量的降低结温，当面积增大到一定值时，结温的下降趋势趋于一条直线。分析原因可知，基板是与PCB板直接接触的，而PCB板的面积一定，基板面积不断增大，对PCB的传热率影响不大。所以表现出的结温下降的趋势也就不大。图2.17是LED 散热器性能与基板截面面积的关系。由于PCB板的尺寸参数是 2525mm，基板需要比PCB板大一些才能更好的散热，降低芯片结温，选择基板直径为60mm。 图2.17 散热性能与基板截面面积的关系2.6 有限元模拟方法介绍 数值的分析主要有两种方式，差分法和有限元单元法23。相比而言，近年来，有限元单元法比较常用。广泛应用于静力平衡方面，电磁领域，热分析处理和动态问题等。这种方法的原理是将一个整体拆成互相联系的有限的单元，分析每一个单元，再把所有的分析结果结合起来，进而分析这个整体，是将无限的问题化繁为简的方法。有限元单元法的另外一个特点是，分析处理时建立相对应的函数去体现未知场函数。当我们将网格大小变小时,网格就会增多，计算更复杂繁琐，但所求得的解就会更精确，要按遇到问题的具体需求进行设置。该方法的操作顺序是：一，划分网格，按需划分网格大小；二，设置参数与条件；三，解函数；四，通过计算机体现结果。这种方法将人不能解决的问题通过计算机处理进而得到精确的结果。有限元单元法在未来会有更好的发展。有限单元法未来的发展远不止于此，目前由于某些条件的限制，有限单元法在很多领域还未涉及，当该方法得到最大程度的利用时，我们对物体的理解会更加的深刻。本章小结 本章首先介绍了LED的发光原理与光学特性和热管理，然后介绍了LED路灯的结构设计与系统组成，简单介绍了四种LED电路组合方案。与传统高压钠灯相比，LED路灯具有很多优点，目前的散热器技术主要分为被动散热技术与主动散热技术，最后介绍了有限元模拟方法介绍。第3章 LED路灯模组的三维建模及热仿真结果分析3.1 本研究的 LED散热器设计方案如表3.1所示为根据市场调查结果和以上研究初步确定的 LED 路灯模组的基本尺寸参数。本研究中LED 芯片的结温可近似于LED 的结温。表3.1 LED模型尺寸参数3.2 散热材料的选用一般情况下，普通的散热器由基板和散热翅片组成，这两部分为同一种材料。为保证较好的散热效果，LED产生的热量需要快速通过基板传导到翅片，为实现这一要求，材料的热传导系数即传导热的能力需要很大，一般金属热传导系数都符合要求。此外，散热器也需要较好的比热容24。常见金属材料导热系数与比热容见表3.2。综合以上两个方面，并考虑散热器的成本，本文选择铝合金作为散热器的材料。表3.2 常见金属材料导热系数与比热容材料比热容j/kg-k导热系数w/m-k铅3135银56429铜93401铁11350铝合金8712023.3 建立三维模型使用Solidworks设计散热器的三维模型图，先分别按尺寸画出LED，PCB，基板，翅片的零件图，如图3.1。图3.1散热器各个零件图新建装配体，将零件依次配合，完全定义后完成散热器的建模，散热器整体装配图如图3.2所示。 图3.2 散热器建模后三视图3.4 Fluent仿真原理介绍Fluent是CFD软件包中一种，在商用市场上占用率极大，通过计算机模拟相关参数与条件，实现了用计算机代替试验装置完成模拟实验，为人们提供了实际环境模拟仿真的操作，目前已广泛应用于航空航天、流体机械、土木水利、船舶工业、热能动力、汽车工程、铁道、化学工程、环境工程等领域。Fluent是用来模拟分析复杂流体运动与传热的软件，提供多种网格以供划分。Fluent软件应用c语言开发，支持UNIK和Windows等多项平台25。计算结果可使用矢量图、剖面图、云图和动画等方式显示或存储，并支持多格式结果保存，可在此软件基础上，进行二次开发。计算对象千变万化，但Fluent软件的主要功能大体就三个:1） 前处理：用来建模，生成网格的程序；2） 求解器：求解方程的程序；3） 后处理：显示输出结果的程序。Fluent大体步骤：1） 导入模型，生成网格；2） 检查网格，选求解器；3） 选择求解方程；4） 确定参数和条件；5） 初始化；6） 运行计算。3.5 网格划分将模型导入后，输入相关参数与限制条件，点击generate mesh即出来网格。 图3.3 模型网格划分3.6 仿真结果分析和讨论 划分完网格，通过Fluent设置相关材料参数与温度条件等，初始化后点击run calculation后等待仿真结束，点击graphics and animations得到温度分布图。仿真得到的模型温度为300K-406.4K，但是为了更清晰观察散热器的温度分布，将温度范围设置为320k-406k。散热器温度分布的仿真结果如图3.4。图3.4 模型温度分布 散热器各重要部件的温度分布如表3.3所示，模型中LED芯片温度最高，为406.4K，即133从俯视图可看出远离芯片温度逐渐降低。表3.3 模型温度最高温度/K室温/KLED温度/KPCB温度/K基板温度/K翅片温度/K模型406.4300402-406.4341-397.8341-350341-346 由上图和表3.3分析可知。本章小结本章首先通过分析散热器翅片高度、翅片厚度、翅片间距、基板厚度和基板截面面积对散热性能的影响，确定LED路灯模组基本参数，再综合考虑散热器成本、比热容与导热系数确定散热器材料为铝合金。再简单介绍ANSYS这款软件的仿真原理，通过在ANSYS中建立模型、对模型进行网格划分再进行仿真参数设置，仿真得到散热器的热分布。第4章 散热器结构设计影响LED路灯模组热管理的仿真分析 针对翅片式散热器，本文进行了三种优化方案。分别是打孔型散热优化方案、波纹型散热优化方案与太阳花型散热优化方案。4.1 打孔型散热器的热仿真结果分析本着增加散热翅片与空气接触面积的想法，设计出了第一套散热优化方案，通过在原有翅片的基础上打孔，增加表面积以及散热器与空气的传热，由于翅片整体设计尺寸偏小，所以暂定纵向打孔间距为5mm，孔径为1mm，通过改变横向孔间距进行仿真实验，探讨横向孔间距对温度分布的影响，如图4.1所示。本优化方案设计了5个尺寸，分别是1.5mm、2mm、3mm、4mm与5mm，如图4.2，图4.3，图4.4，图4.5，图4.6所示，实验结果与数据分析如下。图4.1 打孔优化模型图4.2间距为1.5mm的仿真结果 图4.3 间距为2mm的仿真结果 图4.4 间距为3mm的仿真结果 图4.5 间距为4mm的仿真结果 图4.6 间距为5mm的仿真结果 图4.7 最高温度与打孔间距的关系如图4.7没打孔时最高温度达到406K，打孔后方案最高温度均低于未打孔时的最高温度，从间距1.5mm起，随着间距的增加，最高温度逐渐下降，4mm时达