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

集成式大功率LED路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要:LED作為新一代綠色光源，正在被廣泛的應(yīng)用于照明行業(yè)。對(duì)于LED燈具來(lái)說(shuō)，正常工作的前提是要具備良好的散熱能力。利用CAE并結(jié)合正交分析法模擬分析了集成式大功率LED路燈散熱器結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析翅片的高度、厚度、個(gè)數(shù)以及基板的長(zhǎng)度、厚度、寬度等六個(gè)參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響，得出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，使LED工作溫度降低到要求溫度以下，并使散熱器的質(zhì)量較輕。發(fā)光二極度管LED(LightEmittingDiode)，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(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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，把溫差記為并約定永遠(yuǎn)為正值,<1)=.4/?A/ /1}則牛頓冷卻公式為：式中h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位W(m2K)。A換熱面積，單位m2。由對(duì)流換熱速率方程式(1)可見(jiàn)，要想增加對(duì)流換熱量可以通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)度以及基板長(zhǎng)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(m6)Wm-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2650kg/m-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(jiàn)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(zhǎng)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)表因素水平翅片個(gè)數(shù)翅片髙度C D翅片號(hào)度堪板呼度E F基板長(zhǎng)度基板寬度ZbAlim/nun/nmiAurn152()1115()15(}2K3()[.7L51751753114024220()200414503.1252252255176()3.找3250序號(hào)4CI)EFfCIII52011⑼150E57倒(}10253()h7L5175175EI7H)(J2435402422tM)20096HO047455011Z5225225W4380助55601X325(}2507593I256答20h7222525(i97帥(]4673(】2425250150W461a杓8401I315(}175916()o619503g1175200S291(1HO1()gf)0L521X)22579翻04411112024317522576K3(]5fi121130\II21N)25()H742(】6S131140AHL522515070K3L14115(}225(]175693K0巧1160L72515(}2(Xi73310岱161420工II.525()200視2KQ7S171430MX215(}225W432(JK2IS1440IZ5175250753205519145()h7321M)1506434(JK73)1424I22517563逆eQ21172()1X2521M)175785322173013225200旳2S2Ji174(】L7I2502256316241714151502^0719S25176(}1121751505961溫度364927K211art16矽21)1()92XK|二:SVr/5極蓋K⑴⑵（5）E⑶佝i1fr1F12A質(zhì)量041(149(152(1OK(125020Knill-K⑶口丿13111K{]{]{]rnuii注卞d別為各因素第f水平下對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平均值。極差為試驗(yàn)指標(biāo)請(qǐng)兀值平均值屮的最大伯與最小值之差?括號(hào)里面的數(shù)字代&每個(gè)因素村溫度或質(zhì)量的越響能力X対在序:: 咬g紺庫(kù)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(zhǎng)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(zhǎng)度、基板寬度、基板厚度。即C>B>A>E>F>Do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A5B5C4D3E2F1時(shí)，效果最好。此時(shí)溫度為59.61°C，散熱器質(zhì)量為1.61kg,結(jié)果如圖5示。優(yōu)化以后的結(jié)果為A5B5C1D5E5F1。經(jīng)驗(yàn)證，此種情況下溫度可以降到58.09C，散熱器質(zhì)量降到0.98kg。結(jié)果如圖6示?？梢?jiàn)通過(guò)正交分析達(dá)到了雙目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。APR7WIQ15^4:25NODALSOLUTIONSTEP-1APR7WIQ15^4:25NODALSOLUTIONSTEP-1SUR=lSE5Uai：職tilSMN-51.7415SMX-5^,612AN引"存刃血幻如454北八5対］兀］托5&3刃眥斗§電磴耐揺圖5A5B5C4D3E2F1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。圖6