分布式大功率LED路灯散热器的结构设计[1]

　　1 问题的提出

　　LED作为新一代的环保型固体照明光源，其发光效率经过几十年的发展已经得到了较大的提高，它具有耗电量小、使用寿命长、安全环保、体积和功率小、配光容易等一系列的优点[1]。随着科技的发展，LED芯片的集成度越来越高。LED的功率越高，它的热流密度会越大。如果热量不能及时地从芯片内部散出去，那么芯片内部的热量会不断积聚，从而导致芯片结温不断地上升。过高的结温会造成光波长的漂移、出光效率降低、芯片加速老化等一系列的问题[2-4]。因此为了保证LED能够在正常温度下工作，必须使产生的热量及时地散发出去。目前LED的发光效率只有10%～20%，其余80%～90%的能量转化成了热能[5]，所以LED芯片的散热变得至关重要。

　　很多学者都对翅片散热器进行了研究。Hung-YiLi，Shung-MingChao[6]研究了交错流中板翅式散热器的性能，考虑了冷却空气的雷诺数，翅片高度和宽度对散热器热阻和压降的影响。Dong-KwonKim[7]等人研究了在垂直流体流动方向上翅片厚度的变化对散热器散热性能的影响，表明在沿着垂直流体流动方向上逐渐增加翅片厚度可以减少散热器的热阻。AvramBar-Cohen[8]等人研究了最少材料下翅片的最佳阵列，以及不同材料对翅片散热器散热的影响。

　　研究中针对一款实际使用的散热器进行了优化分析，应用ANSYS有限元软件并且结合正交设计法对这款分布式200WLED路灯的散热器进行结构参数的优化，如图1所示。大功率LED灯具的正常使用温度是65℃以下，因此本文优化的主要目的是保证LED灯具在正常温度下工作，并且在此基础上使散热器的质量更轻。

　　图1 分布式LED路灯

　　2 散热器分析模型

　　2.1 传热基本形式

　　自然界的热传递有3种基本的方式:热传导、热对流和热辐射。在LED散热系统里，这3种热传递方式都存在。出于可靠性和成本的考虑路灯散热器一般采用自然对流散热形式。因此LED散热器的分析模型可以简化成不考虑热对流和热辐射的热传导传热模型。这样在不考虑热对流和热辐射的情况下能够满足散热，那么在实际情况下它一定是符合散热要求的。

　　对流换热的热流量可以用牛顿冷却公式表示

　　式中A为散热面积，h为对流换热的表面传热系数，Δt为温差，并规定温差始终为正值[9]。

　　从式子(1)可以知道，对流换热热流量的大小与散热面积、温差和表面传热系数有关。因此可以增加散热面积来增强散热器的散热性能。

　　2.2 散热器模型的建立

　　散热器结构如图2所示，其总体尺寸为300mm×600mm×110mm，它具有空间对称结构，因此温度场模拟时只取其1/2进行分析。散热器的基板呈弧状，基板上形成6×20的LED阵列(图中从左至右依次为1W、3W、1W、1W、3W、W1阵列);其共有5对翅片，翅片的左下缘在圆柱面上;中间的2个圆柱孔起支撑作用，顶上的弧形结构起辅助作用。与传统的散热器相比较，该散热器具有以下2个方面的优点:①散热器的翅片呈水平，灰尘和污垢不容易在翅片上堆积，还能够防雨，这样可以保证散热器的散热效果。而传统的散热器其翅片是竖直的，灰尘和污垢很容易在翅片上堆积，影响散热器的散热效果。②散热器的翅片呈水平，充分地利用了空气动力学，空气的浮力能够降低路灯对其灯杆的弯曲扭矩。这样可以保证LED路灯的安全性能。

　　对与空气接触的散热器外表面均设为自然对流，对流传热系数为10W/(m2·K)。散热器的2个圆柱孔是通过2个支架起支撑作用的，其内表面没有与空气接触，可以定义为绝热。由于灯罩的密封作用，剩下的散热器表面也定义为绝热。散热器的材料为铝合金104，其导热系数为147W/(m2·K)。环境温度设置为35℃。LED热源的尺寸与散热器基板的尺寸相比要小得多，因此可以将LED热源简化为点热源。散热器的有限元模型如图3所示。

　　3 散热器结构参数的优化设计及结果分析

　　3.1正交试验设计

　　正交试验设计法是一种高效率、快速、经济的设计方法。文中研究散热器不同的结构参数对其温度场的影响，为了缩小运算规模，设计了正交试验对散热器结构进行多次的热分析。试验选取翅片厚度、翅片间距、翅片外轮廓半径以及基板厚度作为设计变量，并把散热器的最高温度和散热器的质量作为试验的指标。考虑到散热器的模具设计以及整个LED路灯结构大小的限制，确定各个设计变量的取值范围:翅片厚度2～4mm，翅片间距6～8mm，翅片外轮廓半径176～180mm，基板厚度5～9mm。每个变量取3个水平，因此该试验为4因子3水平试验，可选用L9(34)正交表。因子和水平设置表如表1所示。

　　表1 因素和水平设置表