集成式大功率LED路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)光二極度管LED( L ight Em itting D iode) ， 作為新一代綠色環(huán)保型固體照明光源， 已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。它具有耗電量少、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、環(huán)保等一系列的優(yōu)點(diǎn)。LED 發(fā)光時(shí)會(huì)有部分能量轉(zhuǎn)化為熱量， 因此會(huì)使LED芯片溫度升高。而溫度對(duì)LED芯片的工作性能影響極大， 高溫會(huì)導(dǎo)致芯片出射的光子減少， 色溫質(zhì)量下降， 加快芯片老化， 縮短器件壽命等嚴(yán)重的后果。因此為保證LED正常工作， 必須將其散發(fā)出來的熱量及時(shí)的散發(fā)出去。目前大功率LED 芯片應(yīng)用的越來越多， 據(jù)資料顯示大功率LED 只能將約10% ~15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能， 而將其余85% ~ 90%轉(zhuǎn)化為熱能 ， 因此散熱問題更為嚴(yán)峻。

目前大功率的LED光源又分為兩種類型， 一種是陣列分布式大功率LED 光源， 它是將數(shù)個(gè)LED進(jìn)行陣列分布布置， 如圖1 所示。另一種是集成式大功率LED 光源， 將數(shù)顆LED 集成封裝在一起， 如圖2所示。這兩種類型的LED 燈具因LED 芯片布置方式不同， 在配光曲線、占用空間以及散熱上面有所不同。相對(duì)來說， 集成式大功率LED 光源制成的燈具質(zhì)量要輕， 在封裝材料方面用料要少， 配光方面與陣列分布式大功率LED 光源相比也可以達(dá)到路燈照明的要求， 是以后的路燈發(fā)展趨勢(shì)。但是因?yàn)樯嵯啾汝嚵惺揭y， 因此壽命縮短， 成為阻礙集成式大功率LED光源發(fā)展的關(guān)鍵難題。

圖1 陣列分布式大功率LED光源

圖2 集成式大功率LED光源

本文主要是利用ANSYS有限元軟件對(duì)集成大功率熱源LED 路燈散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。大功率LED燈具的使用溫度要求在75 以下， 因此本次優(yōu)化的目的是在力求在LED 芯片結(jié)溫降到最低并小于75 的同時(shí)使散熱器的質(zhì)量有所降低。

1 熱量傳遞理論與熱分析

1. 1 熱量傳遞基本理論

熱量傳遞主要有三種方法: 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。在LED路燈的散熱系統(tǒng)里， 三種熱量傳遞方式均有， 但是以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主。熱傳導(dǎo)性強(qiáng)弱依賴于產(chǎn)品材料， 已有很多文章就此進(jìn)行了研究， 而且經(jīng)研究表明指出解決LED 散熱問題的關(guān)鍵不是尋找高熱導(dǎo)率的材料而是改變LED 的散熱結(jié)構(gòu)或者散熱方式， 因此本文主要考慮因散熱器結(jié)構(gòu)的不同而導(dǎo)致的散熱效果差別。

對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式是牛頓冷卻公式， 把溫差記為△t， 并約定永遠(yuǎn)為正值， 則牛頓冷卻公式為:

式中h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， 單位W / (m2 K )。

A 換熱面積， 單位m2。

由對(duì)流換熱速率方程式( 1)可見， 要想增加對(duì)流換熱量可以通過增加溫差， 增加表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及增加換熱面積三種方法可以達(dá)到。對(duì)于自然對(duì)流換熱的LED路燈來說， 增加溫差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的方法不方便采用， 因此本文主要是通過增加換熱表面積。

采用翅片是一種有效的增加換熱表面的方法。它可以使熱流量沿著肋高度方向傳導(dǎo)的同時(shí)向周圍的環(huán)境以對(duì)流或?qū)α骷虞椛涞姆椒ㄉl(fā)熱量。 散熱面積越大， 散熱效果越好， 但是并不成簡單的比例關(guān)系。

1. 2 散熱器模型建立

本文初步設(shè)計(jì)采用平直翅片散熱器如圖3所示。它的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括翅片厚度， 高度， 長度以及基板長度， 寬度和厚度， 利用ANSYS軟件對(duì)這六個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析， 進(jìn)行散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 初選散熱器模型。

對(duì)與空氣中接觸的散熱器外表面均設(shè)為自然對(duì)流， 對(duì)流系數(shù)為7. 5W / ( m2· K )， 環(huán)境溫度設(shè)為40℃， 這樣就可以保證一般的情況下LED 路燈的工作溫度在75℃ 以下。由于燈罩的密封作用， 模型其他表面均定義為絕熱。光源的體積是60 mm× 60mm ×8mm。LED 路燈功率為50W， 其中15%轉(zhuǎn)化為光能， 85% 轉(zhuǎn)化為熱能， 所以將( 1. 47 ×106 )W m- 3的生熱率載荷施加于芯片實(shí)體上。散熱器材料采用ZL104鋁合金， 導(dǎo)熱率為147W /m ， 密度為2 650 kg /m3。在常規(guī)壓力與表面粗糙度的情況下， 取鋁鋁之間接觸熱阻為4. 55 ×10-4m2· K /W 。

1. 3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法具有完成試驗(yàn)要求所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻、可用相應(yīng)的極差分析方法等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析等優(yōu)點(diǎn)。

本文為了縮小模擬的運(yùn)算規(guī)模， 分析散熱器各結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況， 所以設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)該參數(shù)化模型進(jìn)行多次熱分析。把影響最終溫度場(chǎng)分布的六個(gè)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)作為因素， 每個(gè)因素取5個(gè)水平(見表1)， 以散熱器質(zhì)量和芯片最高溫度為試驗(yàn)指標(biāo)， 選取正交表L25 ( 56 )。

綜合考慮LED燈芯的大小以及整個(gè)燈體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)， 以及對(duì)散熱器質(zhì)量及體積的要求限制， 取翅片個(gè)數(shù)A 為( 5- 17)片， 翅片高度B 為( 20- 60) mm，翅片厚度C ( 1- 3. 8)mm， 基板厚度D ( 1- 3)mm， 基板長度E 與寬度F 均為( 150- 250)mm。具體五個(gè)水平取值如下表1所示。

表1 正交試驗(yàn)的參數(shù)表

1. 4 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

從表2可以看出， 翅片數(shù)目對(duì)芯片結(jié)溫的影響最大， 翅片高度次之， 以后依次為基板長度、基板厚度、翅片厚度及基板寬度。即A > B > E > D > C > F。

翅片厚度對(duì)散熱器質(zhì)量影響最大， 翅片高度次之， 以后依次為翅片的數(shù)目、基板長度、基板寬度、基板厚度。即C > B > A > E > F > D。

根據(jù)分析結(jié)果繪制各個(gè)因素不同水平對(duì)溫度目標(biāo)的影響圖， 如圖4示。

根據(jù)質(zhì)量公式可知， 各個(gè)參數(shù)在其他參數(shù)不變的情況下， 參數(shù)取值與質(zhì)量結(jié)果成正比關(guān)系， 取值越大， 質(zhì)量越大， 所以不再繪制曲線圖。

圖4 六個(gè)因素不同水平對(duì)芯片最高溫度的影響

由極差分析結(jié)果可以得知不同的因素對(duì)兩個(gè)目標(biāo)的影響是不同的， 同一因素對(duì)于兩個(gè)目標(biāo)影響也不同。因此對(duì)于不同因素?cái)?shù)值的選取應(yīng)本著芯片最高溫度保持最低為主要目標(biāo)， 散熱器質(zhì)量最小為次要目標(biāo)的原則進(jìn)行。例如翅片厚度對(duì)芯片最高溫度影響排在了第六位， 對(duì)質(zhì)量的影響卻是最大的。因此可以選擇較小的翅片厚度， 在盡量不升高溫度的同時(shí)， 使質(zhì)量降低。

在25次的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中， 可以得知第25 次時(shí)， 即A5B 5C 4D3E 2F 1時(shí)， 效果最好。此時(shí)溫度為59. 61 ℃ ，散熱器質(zhì)量為1. 61 kg， 結(jié)果如圖5示。優(yōu)化以后的結(jié)果為A5B 5C1D 5E5F 1。經(jīng)驗(yàn)證， 此種情況下溫度可以降到58. 09 ℃ ， 散熱器質(zhì)量降到0. 98 kg。結(jié)果如圖6示。

可見通過正交分析達(dá)到了雙目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

圖6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

2 結(jié)論與展望

本文通過采用正交試驗(yàn)法和仿真模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)集成大功率光源LED路燈散熱器進(jìn)行了研究，用較少次數(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)， 獲得能基本上反映全面情況的試驗(yàn)資料， 并研究不同參數(shù)對(duì)LED 散熱及質(zhì)量的影響的程度， 進(jìn)而得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合。這種優(yōu)化方法對(duì)其他翅片形式同樣適用， 對(duì)大功率集中式熱源LED燈具的推廣應(yīng)用具有重大的意義。