沖壓組合式LED球泡燈設(shè)計說明書(共37頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄專心-專注-專業(yè)沖壓組合式LED球泡燈設(shè)計摘要：在全球資源緊張的大環(huán)境下，傳統(tǒng)白熾燈已漸漸被各國政府禁止生產(chǎn)，作為其替代品的LED球泡燈應(yīng)運而生。LED球泡燈最大的市場是民用市場，它集節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易于維修等優(yōu)點于一身，具有很大的市場潛力。本設(shè)計中的設(shè)計對象是5W的LED球泡燈，可以作為60W的白熾燈的替代品。本設(shè)計對LED球泡燈進行了一系列外形結(jié)構(gòu)設(shè)計，并確定散熱器采用沖壓組合的成型方式。在用有限元軟件進行散熱分析的基礎(chǔ)上對散熱器的結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化。關(guān)鍵詞：LED球泡燈、結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱分析Abstract: As the number of global re

2、sources sharply shrinks, the production of traditional incandescent has been gradually banned by most governments in the world. At the same time, LED bulbs are more and more popular.LED bulbs are mainly used by civilians. Considering their advantages at energy saving, environmental protection, long

3、life and repairing, we believe that LED bulbs are very potential in the market. The intention of designing the 5W LED bulbs is to take the place of 60W incandescent. In this design , I did lots of work to decide what the bulb looks like. The radiator will be processed by stamping and assembling. Aft

4、er analyzing the radiator with ANSYS,I change the structure of the radiator so that it could be more useful for the bulb.Keywords: LED bulb, Structural Design, Thermal analysis1 前言近年來隨著我國政府大力推行節(jié)能減排政策,節(jié)能環(huán)保的意識不斷深入人心.隨著我國城市化進程的加快，綠色、高效、長壽命的LED球泡燈逐漸走入人們的視野。LED球泡燈照明最大的市場是民用市場，歷史習(xí)慣的原因,市民用的最多的也是球形燈炮，所以LED球

5、泡燈是替代傳統(tǒng)白熾燈泡的新型的綠色光源。傳統(tǒng)白熾燈（鎢絲燈）耗能高、壽命短，在全球資源緊張的大環(huán)境下，已漸漸被各國政府禁止生產(chǎn)，隨之替代產(chǎn)品是電子節(jié)能燈，電子節(jié)能燈雖然提高了節(jié)能效果，但由于使用了諸多污染環(huán)境的重金屬元素，又有悖于環(huán)境保護的大趨勢。LED在發(fā)光原理、節(jié)能、環(huán)保的層面上都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品。對比傳統(tǒng)的民用照明產(chǎn)品，LED球泡燈在主要性能方面的優(yōu)點有：1環(huán)保：LED是全固體發(fā)光體，可以承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎，廢棄物便于回收。而且LED光源本身不含汞、鉛等有害物質(zhì)，無紅外和紫外污染，不會在生產(chǎn)和使用中產(chǎn)生對外界的污染。2節(jié)能：發(fā)光效率高，燈具反射損失低，節(jié)省能源70%；

6、在同樣亮度下耗電量僅為普通白熾燈的1/10。3壽命長，維護成本低 ：LED理論壽命超過10萬小時，LED球泡燈的實際使用壽命在3萬小時以上，是白熾燈30倍以上的壽命，維護費用低。4. 顯色性佳：LED球泡燈的色溫可以在4000-7000K之間靈活選擇，顯色指數(shù)最高可達80以上，發(fā)光顏色更接近于自然光，感覺更舒適。5. 光效利用率高：LED光源利用率高，約為90%。而白熾燈僅有約5%10%的電能轉(zhuǎn)化為光能。6啟動時間短：LED路燈將不存在啟動延時問題，可隨時接通，隨時工作，能夠非常方便地實現(xiàn)智能化節(jié)能控制。同時，作為低壓燈具，安全性好也是LED的突出優(yōu)點?；贚ED在節(jié)能、減排、環(huán)保等方面的獨特

7、優(yōu)勢，半導(dǎo)體照明被譽為人類照明的第三次革命，其應(yīng)用領(lǐng)域也正在被快速拓展。中國是目前全球城市化進程最快的國家之一，可以預(yù)料在未來的數(shù)十年內(nèi)，全國各地對于LED球泡燈產(chǎn)品的市場需求是極其龐大的。2 LED的發(fā)展史、發(fā)光發(fā)熱原理及應(yīng)用2.1 LED的發(fā)展史1907年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)作為研磨劑的碳化硅晶體（SiC）通電后可以發(fā)光的現(xiàn)象。該發(fā)光現(xiàn)象與火光、放電光、黑體輻射不同，是一種固體物質(zhì)通電后發(fā)光的新形態(tài)。該現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，人們就對SiC和半導(dǎo)體的礦物質(zhì)發(fā)光現(xiàn)象展開研究。20世紀50年代后，隨著半導(dǎo)體知識的不斷積累，人們開始嘗試利用半導(dǎo)體晶體的發(fā)光現(xiàn)象。1952年人工合成的Ge、Si晶體的pn結(jié)發(fā)光

8、，促成了1954年人工合成Gap晶體發(fā)光的誕生。1962年首次實現(xiàn)了可見光LED，它是通過GaAs襯底上生成GaAsP外延膜而實現(xiàn)的。19681970年由于各公司競相采用LED作為計算器、手表顯示器的光源，因此每隔數(shù)月銷量便會翻倍，創(chuàng)下了驚人的銷售記錄。1990年代初期，實現(xiàn)了光的三原色紅、綠、藍色LED光源，并實現(xiàn)了三原色混光的白光LED。隨后經(jīng)過無數(shù)次的改良，LED的性能有了顯著的提高，現(xiàn)在的發(fā)光效率已達150lm/W，終于在2009年，因提高了LED的性能，降低了成本，很多公司陸續(xù)開始銷售LED燈泡，并一直占領(lǐng)著LED照明市場。2.2 LED的發(fā)光發(fā)熱原理2.2.1 LED的發(fā)光原理半導(dǎo)

9、體二極管在正向電壓下，電源對N區(qū)導(dǎo)帶的電子做功，克服PN結(jié)電場，推動到P區(qū)，電子被價帶的空穴俘獲，成為低能級的電子，兩能極差的能量Eg以電磁波形式釋放；在電源的作用下，P區(qū)產(chǎn)生新的電子空穴時，電子被抽走移動到電源正極，如圖2.1和圖2.2所示：復(fù)合 P區(qū)N區(qū)圖2.1 結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)帶空穴能量價帶P區(qū)勢壘區(qū)N區(qū)電子能量導(dǎo)帶光子復(fù)合價帶圖2.2 能級圖半導(dǎo)體二極管發(fā)射電磁波的峰值波長與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有關(guān)，即公式：1240/Eg（nm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。Eg的大小是半導(dǎo)體材料本身的特性，與外部能量無關(guān)。根據(jù)材料特性及Eg的數(shù)值，可以制造出發(fā)射可見光的二極管LED和發(fā)射紅外線的二極

10、管IRED。普通的二極管，在發(fā)生電子-空穴對的復(fù)合時，由于能級差Eg的因素，釋放的電磁波不在可見光范圍內(nèi)。2.2.2 LED的發(fā)熱原理從原理上看，LED的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，說明LED的電阻構(gòu)成。LED的總電阻可分為兩大類：晶體材料體電阻和接觸電阻。體電阻區(qū)可以分為三個區(qū)域：N區(qū)、勢壘區(qū)（PN結(jié)）、P區(qū)。接觸電阻包括：芯片電極材料與芯片晶體材料之間的電阻、芯片粘接或焊接電阻、芯片與金線接觸面電阻、金線與外電極的接觸電阻。我們可以先忽略接觸電阻的影響。電子在LED內(nèi)部的移動路途中，都會因電阻的存在而消耗功率，電源克服PN結(jié)勢壘也要消耗功率，所消耗的功率符合電子學(xué)的基本定律：P=I2R=I2(RN

11、+RP)+VTH 式中：RN是N區(qū)體電阻 RP是P區(qū)體電阻VTH是PN結(jié)的閥值電壓，它是電源克服PN結(jié)勢壘電壓Epn后的殘留電壓。這個電壓是剛有電流時，PN結(jié)處于一種動態(tài)平衡下的勢壘。（它與體電阻的壓降的和構(gòu)成二極管導(dǎo)通時的正向電壓VF）（Epn是在沒有外電源是，PN結(jié)處于動態(tài)平衡時的勢壘。）消耗的功率產(chǎn)生的熱量為：Q=Pt式中：t為二極管通電的時間。 負極金屬正極金屬P型層PN結(jié)N型層N型襯底背金電極金金接觸電阻金金接觸電阻金半接觸電阻P區(qū)體電阻PN結(jié)勢壘N區(qū)體電阻金半接觸電阻粘（焊）接觸電阻圖2.3 LED發(fā)熱原理某一對電子-空穴的復(fù)合，則是發(fā)生在一個點上。復(fù)合后的電子暫時被原子核束縛，成

12、為自由電子，產(chǎn)生新的電子-空穴對?？昭ㄏ騊N結(jié)方向擴散，電子在電場的作用下，繼續(xù)向電源正極運動（根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，可以看做電源正極向P區(qū)注入空穴）。統(tǒng)計來看，可以看做是一個電子連續(xù)穿過半導(dǎo)體體區(qū)內(nèi)的全部路程，它經(jīng)歷了路途的所有電阻。它所形成的電流通過電阻產(chǎn)生熱量。2.3 LED的主要應(yīng)用鑒于LED 的自身優(yōu)勢，目前主要應(yīng)用于以下幾大方面： 1顯示屏、交通訊號顯示光源的應(yīng)用。LED燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，分為全色、三色和單色顯示屏，全國共有100 多個單位在開發(fā)生產(chǎn)。交通信號燈主要用超高亮度紅、綠、黃色LED, 因為采用LED 信號燈

13、既節(jié)能，可靠性又高，所以在全國范圍內(nèi)，交通信號燈正在逐步更新?lián)Q代，而且推廣速度快，市場需求量很大，是個很好的市場機會。 2. 汽車工業(yè)上的應(yīng)用汽車用燈包含汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等。汽車用白熾燈不耐震動撞擊、易損壞、壽命短，需要經(jīng)常更換。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈。由于LED響應(yīng)速度快, 可以及早提醒司機剎車，減少汽車追尾事故，在發(fā)達國家，使用LED 制造的中央后置高位剎車燈已成為汽車的標準件，美國HP 公司在1996年推出的LED 汽車尾燈模組可以隨意組合成各種汽車尾燈。此外，在汽車儀表板及其他各種照明部分的光源，都

14、可用超高亮度發(fā)光燈來擔當，所以均在逐步采用LED 顯示。我國汽車工業(yè)正處于大發(fā)展時期，是推廣超高亮度LED 的極好時機。近幾年內(nèi)會形成年產(chǎn)10億元的產(chǎn)值，5 年內(nèi)會形成每年30 億元的產(chǎn)值。 3. LED 背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源最為引人注目，LED 作為LCD 背光源應(yīng)用，具有壽命長、發(fā)光效率高、無干擾和性價比高等特點， 已廣泛應(yīng)用于電子手表、手機、BP 機、電子計算器和刷卡機上，隨著便攜電子產(chǎn)品日趨小型化，LED 背光源更具優(yōu)勢，因此背光源制作技術(shù)將向更薄型、低功耗和均勻一致方面發(fā)展。LED 是手機關(guān)鍵器件，一部普通手機或小靈通約需使用10 只LED 器件，而一部彩屏和帶有照相功能的手機

15、則需要使用約20 只LED 器件?，F(xiàn)階段手機背光源用量非常大，一年要用35 億只LED 芯片。目前我國手機生產(chǎn)量很大，而且大部分LED 背光源還是進口的，對于國產(chǎn)LED 產(chǎn)品來說，這是個極好的市場機會。 4. LED照明光源早期的產(chǎn)品發(fā)光效率低，光強一般只能達到幾個到幾十個mcd，適用在室內(nèi)場合，在家電、儀器儀表、通訊設(shè)備、微機及玩具等方面應(yīng)用。目前直接目標是LED 光源替代白熾燈和熒光燈，這種替代趨勢已從局部應(yīng)用領(lǐng)域開始發(fā)展。日本為節(jié)約能源，正在計劃替代白熾燈的發(fā)光二極管項目( 稱為 照亮日本) ，頭五年的預(yù)算為50 億日元，如果LED 替代半數(shù)的白熾燈和熒光燈，每年可節(jié)約相當于60 億升原

16、油的能源, 相當于五個1.35 106kW 核電站的發(fā)電量，并可減少二氧化碳和其它溫室氣體的產(chǎn)生，改善人們生活居住的環(huán)境。我國也于2004 年投資50 億大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保的半導(dǎo)體照明計劃。 5.其它應(yīng)用例如一種受到兒童歡迎的閃光鞋，走路時內(nèi)置的LED會閃爍發(fā)光，僅溫州地區(qū)一年要用5 億只發(fā)光二極管；利用發(fā)光二極管作為電動牙刷的電量指示燈，據(jù)國內(nèi)正在投產(chǎn)的制造商介紹, 該公司已有少量保健牙刷上市，預(yù)計批量生產(chǎn)時每年需要3 億只發(fā)光燈；正在流行的LED 圣誕燈，由于造型新穎、色彩豐富、不易碎破以及低壓使用的安全性，近期在香港等東南亞地區(qū)銷勢強勁，受到人們普遍的歡迎，正在威脅和替代現(xiàn)有電泡的圣誕市場

17、。 6.家用室內(nèi)照明的LED產(chǎn)品越來受人歡迎，LED筒燈，LED天花燈，LED日光燈，LED光纖燈已悄悄地進入家庭！3 LED的優(yōu)缺點及其在球泡燈上的先天優(yōu)勢與劣勢3.1 LED優(yōu)點LED的內(nèi)在特征決定了它具有很多優(yōu)點，諸如： 1.體積小LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。 2.耗電量低LED耗電相當?shù)停绷黩?qū)動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%。一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是0.02-0.03A；這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。 3.使用壽命長有人稱LED光源為長

18、壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當?shù)碾娏骱碗妷合?，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。 4.高亮度、低熱量LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多。 5.環(huán)保LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。6.堅固耐用LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，使得LED不易損壞。7.多變幻LED光源可利用紅、綠、藍三基色

19、原理，在計算機技術(shù)控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256256256種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。 8.技術(shù)先進與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品。它成功融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品，是半導(dǎo)體光電器件“高新尖”技術(shù)，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。 3.2 LED 缺點LED發(fā)光二極管已被全球公認為最高效的人造照明技術(shù)。雖然國內(nèi)還有不少人在商家誤導(dǎo)下認為LED是用來替代LCD液晶的顯示技術(shù)，但實際上這種高能效照明技術(shù)從上世紀六七十年代就已經(jīng)開始

20、應(yīng)用，如今從各種指示燈、路燈、節(jié)日彩燈再到筆記本、電視背光都在廣泛采用LED照明。由于其高能效，人們普遍認為用LED燈取代傳統(tǒng)的燈泡、熒光燈是一種非常環(huán)保的做法。然而，近日由美國加州大學(xué)艾爾文分校進行的一項調(diào)查卻顯示，使用LED的環(huán)保功效很可能會被其包含的有毒物質(zhì)所抵消。在該校社會生態(tài)學(xué)系和公共健康項目共同進行的這項研究中，他們分析了市場上常見的圣誕樹彩燈組中的紅色、黃色、綠色和藍色的LED燈，其中既包括高亮度LED，也包括低亮度產(chǎn)品。 結(jié)果顯示，這些LED燈中包含有銻、砷、鉻、鉛以及其他多種金屬元素。其中，部分LED燈的有毒元素含量已經(jīng)超過了監(jiān)管部門制定的標準。比如在低亮度紅色LED燈中，研

21、究人員發(fā)現(xiàn)其鉛含量超標達到8倍，鎳含量也超標2.5倍。 實際上在美國加州法律中，絕大多數(shù)LED燈都已經(jīng)被明確定義為有毒垃圾，如果使用普通填埋的辦法處理將會污染土壤和地下水。而如果LED燈破碎，還可能會對直接接觸的人體健康造成損害。但至今，無論各國政府還是民眾都對LED燈的環(huán)境和健康危險知之甚少。 該報告表示，LED中的砷、鉛、鎳和銅元素對人體和環(huán)境的影響最為嚴重，未來應(yīng)當進行更為細致深入的調(diào)查，以促進政府對LED產(chǎn)品的安全使用和回收處理制定規(guī)范。簡單的說，大家應(yīng)該清楚，雖然LED的能效非常高，但它絕非完全環(huán)保的選擇，只是蘊含的潛在危險和其他照明技術(shù)不同罷了。3.3 LED應(yīng)用于球泡燈有先天優(yōu)勢

22、和劣勢1.優(yōu)勢在于： 第一，可頻繁開關(guān)：LED的壽命是按點亮?xí)r算的，即便每秒鐘開關(guān)數(shù)千次也不影響LED壽命，在裝飾等需要頻繁亮滅的場合，LED燈有絕對優(yōu)勢。 第二，色溫可選，這樣在不同場合的應(yīng)用中，也是提高效率、降低成本的一個重要途徑；第三，技術(shù)進步空間依然很大。 2.劣勢有： 第一，當前價格還太高，光通量低，當前同等照度設(shè)計的LED光源價格大約相當于傳統(tǒng)光源的4倍，在民用中難以承受。當前設(shè)計和制造標準比較混亂，損壞比例高，影響了LED的壽命優(yōu)勢。第二，受球泡燈形狀的影響，LED的散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計受到了嚴重限制，所以相對于其他LED照明產(chǎn)品，球泡燈的散熱難度更大。4 LED散熱基本知識散熱的方

23、式一般有三種，即熱傳導(dǎo)散熱、對流散熱和輻射散熱，下面要了解散熱的一些基本概念。4.1 比熱容與溫升物體吸收或放出的熱量與溫度變化的關(guān)系如下：Q=Cm(T2-T1)= CmT (4.1)式中：Q：吸收的總熱量 C：比熱容 m：物體質(zhì)量T1：物體吸（放）熱前的溫度T2：物體吸（放）熱后的溫度T：物體吸（放）熱前后的溫度差4.2 熱傳導(dǎo)散熱相關(guān)的理論公式Q=kST/L (4.2) 式中:Q:傳導(dǎo)熱量（W）k:導(dǎo)熱系數(shù)（W/m2K）S:截面積（m2）T:溫度差（K）L:傳導(dǎo)路徑長度（m）從公式（4.2）可見，單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與眾多因素有關(guān)。就形狀基本相同的不同材料的散熱器，導(dǎo)熱系數(shù)是影響導(dǎo)熱的重要

24、因素。對相同的材料，傳熱路徑的截面積是影響傳熱的重要因素。4.3 對流散熱Q=hST (4.3)式中：Q:對流熱量（W）h:熱對流系數(shù)（W/m2K）S:有效面積（m2）T:表面與流體的溫差（K）在對流散熱設(shè)計中，散熱器的表面積是一個重要的因素。4.4 輻射散熱Q=ST4 (4.4) 式中：Q:輻射熱量（W）:表面熱輻射率（W/m2K）:黑體輻射常數(shù)，5.6810-8 （W/m2K2）S:輻射表面積（m2）T:絕對溫度（K）在輻射散熱中雖然熱量和溫度的四次方成正比，但是由于公式中的常數(shù)值很小，所以將溫度的影響變小了，使得影響散熱的主要因素歸結(jié)于表面輻射率和表面積。公式（4.4）是理想黑體的輻射計

25、算式，對于實際的散熱系統(tǒng)，情況比較復(fù)雜。輻射體還會受到其他熱源的影響。比如，翅片式散熱器，一個翅片還會吸收和反射其他翅片的能量。散熱器的幾何形狀、相對位置等也會對輻射造成影響。因此，在公式（4.4）中還應(yīng)增加一個反映這種影響的系數(shù)角系數(shù)。公式（4.4）可以變換為：Q=FT4 (4.5)式中F為角系數(shù)。5 LED球泡燈的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1 設(shè)計要求1、具有良好的散熱效果。散熱是LED球泡燈需要重點解決的問題，LED球泡燈是冷光源，不會像白熾燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是LED的耐熱性比較差， 保證芯片在安全溫度的工作環(huán)境下，才能體現(xiàn)出LED球泡燈的使用壽命長的優(yōu)勢；2、具有良好的工藝。例如利用導(dǎo)熱膏

26、將翅片和底座接合緊密，盡量避免界面阻抗影響散熱。3、便于安裝和維護。設(shè)計方便、可靠的閉合打開結(jié)構(gòu)，增加產(chǎn)品的安裝和維護性能；4、造型新穎美觀。5.2 方案的擬定根據(jù)LED球泡燈的設(shè)計要求，要外形美觀，便于安裝和維護。前期的分析選型中主要可慮了以下兩種球泡燈結(jié)構(gòu)的三維外型。1半球形如下圖所示的半球形LED球泡燈，具有體積小的優(yōu)點，但外形稍不美觀，維修時半球形的燈罩也不易拆卸。圖片5.1 半球形外觀2、梨形如下圖所示的梨形LED球泡燈，外形美觀，與以往人們使用的白熾燈相似。且球形的燈罩比半球形更易拆卸，維護更方便。圖5.2 梨形外觀5.3 方案的具體設(shè)計及改進5.3.1 外觀設(shè)計考慮到在過去的幾十

27、年中,人們已習(xí)慣了白熾燈的外形,所以仿照傳統(tǒng)白熾燈的外觀,把LED球泡燈設(shè)計成梨形。球泡燈由燈罩、散熱器、下環(huán)、上環(huán)、上環(huán)蓋和燈尾組成。燈罩是大半個球形，散熱器近似于半球形，整體看起來像一只梨。5.3.2 上環(huán)的設(shè)計 上環(huán)的邊緣做了鋸齒狀的設(shè)計，用來放置散熱器的翅片，如圖5.3所示。圖5.3 上環(huán)為了充分發(fā)揮煙筒效應(yīng)，在上環(huán)的多個部位開了通風(fēng)口。如圖5.4所示。 圖5.4 通風(fēng)口上環(huán)的空腔用以放置LED球泡燈的電源。5.3.3 上環(huán)蓋的設(shè)計出于煙筒效應(yīng)的需要，上環(huán)蓋也開設(shè)了通風(fēng)口。如圖5.5所示：圖5.5 上環(huán)蓋通風(fēng)口尾部的螺紋用于與金屬燈尾的連接。5.3.4 下環(huán)的設(shè)計下環(huán)的邊緣同樣采用了鋸

28、齒的設(shè)計，用以放置散熱器的翅片。圖5.6 下環(huán)下環(huán)的另一側(cè)加工成內(nèi)螺紋，與燈罩進行螺紋連接。5.3.5 創(chuàng)新設(shè)計上環(huán)與上環(huán)蓋的連接方式，如圖5.7：圖5.7 上環(huán)與上環(huán)蓋連接方式此連接方式的靈感來源于手機后蓋。上環(huán)蓋插入上環(huán)并順時針旋轉(zhuǎn)便能使上蓋卡住，利用的是塑料零件的彈性變形。如果要拆卸，只需把上環(huán)蓋逆時針旋轉(zhuǎn)。因為連接處傾斜角度的差異，拆卸時要比安裝稍費力一些。此實際的優(yōu)點是便于上環(huán)蓋的拆卸，方便維修。5.3.6 鋁基板的設(shè)計本設(shè)計為5W球泡燈，為避免鋁基板上燈珠過于集中，采用10枚貼片式5730燈珠，呈放射狀分布于鋁基板上。鋁基板電路圖如:5.8所示圖5.8 鋁基板電路圖6 LED球泡燈

29、散熱片的方案比較與設(shè)計及其優(yōu)化6.1 LED球泡燈散熱片的比較傳統(tǒng)的LED球泡燈散熱器有兩種成型方式，分別是壓鑄式和擠壓式?，F(xiàn)分析以上兩種種成型方法的優(yōu)劣。1.壓鑄的優(yōu)點是容易得到很好的尺寸精度和表面光潔度，不需要很高的工藝，且可以把翅片與底面鑄成一體，增大散熱器與鋁基板的接觸面積。缺點是需要大噸（500噸以上）位的鍛壓機械，也正因為設(shè)備和模具的高昂費用而導(dǎo)致產(chǎn)品成本極高成本高，同時其翅片厚度大，形狀不易改變，散熱面積遠遠少于擠壓制作的散熱片。圖6.1 壓鑄式散熱器2.擠壓的優(yōu)點在于成本低，節(jié)省材料,制作工藝簡單，易得到所需的翅片形式，可以極大的增加散熱面積。在材質(zhì)相同的情況下，擠壓出來的散熱

30、片密度要大于壓鑄出來的，因此導(dǎo)熱系數(shù)也會比壓鑄成型的高一些。缺點是擠壓成型的散熱器橫截面積大大受限，使得散熱器與鋁基板之間阻抗較大。圖6.2 擠壓式散熱器 3.在這兩種制作工藝的基礎(chǔ)上又提出了沖壓組合的制作方式，也就是把壓鑄和擠壓制造的散熱片的優(yōu)勢結(jié)合起來，翅片突破原有的比例限制，散熱效果好，而且還可以選用不同的材質(zhì)做翅片。當然了，缺點也顯而易見，就是利用導(dǎo)熱膏和焊錫接結(jié)合翅片和底座會存在介面阻抗問題，從而影響散熱. 6.2 LED球泡燈散熱片的方案設(shè)計6.2.1 方案確定LED燈產(chǎn)生的熱量少部分傳遞給燈罩，大部分通過鋁基板傳給散熱器，然后由散熱器外表面、燈罩等渠道通過熱輻射、對流等方式將熱量

31、傳到空氣中。其中LED燈到散熱器外表面的傳熱方式以熱傳導(dǎo)為主，另外有少量熱(散熱器內(nèi)腔)通過對流和輻射等方式傳遞，為便于分析在此忽略不計。LED傳導(dǎo)到散熱器外表面的熱量應(yīng)與LED燈和散熱器外表面平均溫度的溫差(散熱器外表面的溫度因形狀復(fù)雜，為便于分析取平均值)成正比，與散熱器的傳熱面積成正比，又與散熱器的形狀、材質(zhì)(或熱阻)等有關(guān)，同時空氣的濕度，灰塵等也會對LED路燈的散熱有一定的影響。在散熱片與路燈的熱傳導(dǎo)率、材料以及體積一定的情況下，散熱能力的強弱就主要決定與散熱的面積。所以目前散熱片選擇沖壓的方案比較適宜。根據(jù)行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗：對散熱片質(zhì)量的影響由大到小的因素依次為：翅片厚度、平板厚度、翅

32、片高度、翅片間距。對芯片最高溫度的影響因素有大到小依次為翅片間距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。綜上所述，在設(shè)計翅片式LED散熱結(jié)構(gòu)時，應(yīng)在合適的范圍內(nèi)使翅片的厚度和間距盡可能小一些，這樣可以同時有效地減小散熱器的質(zhì)量，控制芯片的最高溫度。6.2.2 散熱片具體設(shè)計沖壓組合式散熱器方案的散熱片如圖所示, 豎直的翅片由板料沖壓而成，可拼湊成一個完整的柱形結(jié)構(gòu)，充分利用了煙囪效應(yīng)，使得從鋁基板產(chǎn)生的熱量可以從圓柱內(nèi)部向上流動。圖6.3 散熱片三維圖出于美觀的考慮，散熱片的邊緣曲線為一拋物線，以下圖中的點為圓點建立直角坐標系，則拋物線方程為：y=x2+12x-2圖6.4 拋物線坐標原點散熱片的連接采

33、用了如下圖所示的搭扣。圖6.5 散熱片搭扣散熱片的組合方式如下圖所示圖6.6 散熱片組合方式散熱片底部折彎的扇形邊緣，在組合之后可以拼成一個較大的底盤，使得散熱器與鋁基板有足夠的接觸面積，更有利于鋁基板與散熱器之間的熱傳導(dǎo)。拼接后的底盤如圖所示：圖6.7 散熱器底盤參考市場上已有的擠壓成型的LED散熱器,暫定散熱器的翅片數(shù)為48片，組合以后的散熱器如下圖：圖6.8 散熱器三維圖因為翅片呈放射狀排列，所以當側(cè)面有空氣流動時，可以使散熱器與空氣有更充分的熱交換。6.2.3 人性化細節(jié)設(shè)計散熱片的邊緣采用了花邊壓彎的設(shè)計，此設(shè)計的好處在于，第一，散熱片由板件沖壓而成，其邊緣的鋒利程度足以對裝配工人和

34、用戶造成傷害，折彎后既提高了散熱片的安全系數(shù)，又使得散熱器整體看上去更美觀；第二，花邊折彎的設(shè)計可以增加散熱片與空氣的接觸面積，提高散熱效果。 圖6.9 散熱片花邊折彎6.3 LED球泡燈散熱片的計算與優(yōu)化分析6.3.1 參數(shù)選擇本節(jié)參數(shù)的選擇主要包括材料的選擇、載荷的分析。6.3.1.1 材料的選擇 本設(shè)計中，球泡燈散熱片的材料選擇為鋁合金6063。根據(jù)相關(guān)資料查得，鋁合金6063的性能如下：6063鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅,其具有加工性能極佳、優(yōu)良的可焊接性、擠出性及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性,易于拋光、上色膜,陽極氧化效果優(yōu)良等特性,是典型的擠壓合金。 6.3.1.2 熱邊界條件

35、和熱載荷的分析 散熱器散熱的方式有與空氣的對流換熱和自身的熱輻射。根據(jù)本產(chǎn)品的實際情況，主要散熱途徑是與空氣的對流換熱，因此不考慮熱輻射。根據(jù)相關(guān)資料的查閱確定空氣的對流換熱系數(shù)為5W/(m2)。在本產(chǎn)品中，熱源只有一個，就是10粒5730貼片式LED燈珠。因此添加熱載荷為10粒燈珠的熱流率。燈珠的總功率為5W，熱源加載的面積即為燈珠的總面積：0.00017m2。計算得熱流率為29200W。6.3.2 散熱分析計算6.3.2.1 模型的簡化 在LED球泡燈的散熱過程中，起主導(dǎo)作用的是散熱器，因此這里只對散熱器作有限元分析。如圖6.10所示圖6.10 散熱分析模型因散熱器為對稱物體，為減少計算時

36、間，可以取散熱器的一半來作計算，這樣一來可以節(jié)約時間，二來可以更清楚地觀察到散熱器內(nèi)部的溫度分布。由于散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算機配置有限，為了進一步簡化模型，將組合而成的翅片簡化為一個整體，并去掉翅片邊緣壓彎的花邊，將復(fù)雜的邊角簡單化，整個過程在solidworks中進行。簡化后的模型如下圖所示：圖6.11 簡化后的散熱模型簡化后的模型保存成*.igs格式。6.3.2.2 散熱分析計算 打開ANSYS中的穩(wěn)態(tài)熱分析模塊后，將模型導(dǎo)入，如下圖：圖6.12 在ANSYS中導(dǎo)入模型導(dǎo)入模型后,選取幾何模型的材料,并劃分網(wǎng)格.共劃出個節(jié)點和個網(wǎng)格。圖6.13 網(wǎng)格劃分設(shè)置熱邊界條件，選定除截面以外的所有表

37、面，對流換熱系數(shù)為5W/(m2)。假定球泡燈在較惡劣的環(huán)境下工作，設(shè)定環(huán)境溫度為35。圖6.14 設(shè)置熱邊界條件設(shè)置熱載荷，選定燈珠分布的區(qū)域，熱流率為29200W。6.15 施加熱載荷熱邊界條件和熱載荷設(shè)置完成，開始計算溫度，計算結(jié)果如下圖：圖6.16 溫度云圖分析得最高溫度約54，位置在鋁基板的燈珠附近；最低溫度約為50，位置在離燈珠最遠的散熱器上端。原因是，靠近燈珠的地方離熱源近，吸收的熱量多，而熱量傳導(dǎo)到距熱源較遠的散熱器上端時已所剩無幾。 要使得LED燈珠能夠長期有效地工作,燈珠的結(jié)點溫度必須控制在80以下,結(jié)點溫度一般比鋁基板的最高溫度高出20,也就是說鋁基板的最高溫度控制在60左右最為合適。而以上得出的溫度云圖，最高溫度約為54，也就是說散熱器仍可進行優(yōu)化以節(jié)省材料。6.3.2.3 散熱器的優(yōu)化由于球泡燈的外形對翅片的形狀有很大的限制，此處的優(yōu)化通過減少翅片的數(shù)量來實現(xiàn)。將翅片數(shù)量減少到36片，在ANSYS中重新導(dǎo)入模型：圖6.17 導(dǎo)入模型導(dǎo)入模型后,選取幾何模型的材料為鋁合金,并劃分網(wǎng)格.共劃出個節(jié)點和個網(wǎng)格。圖6.18 網(wǎng)格劃分設(shè)置熱邊界條件，選定除截面以外的所有表面，對流換熱系數(shù)為5W/(m2)。假定球泡燈在較惡劣的環(huán)境下工作，設(shè)定環(huán)境溫度為35。圖6.19 設(shè)置熱邊界條件設(shè)置熱載荷，選