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,。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,。LED 發(fā)光時會有部分能量轉(zhuǎn)化為熱量,， 因此會使LED芯片溫度升高。而溫度對LED芯片的工作性能影響極大,， 高溫會導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)出來的熱量及時的散發(fā)出去,。目前大功率LED 芯片應用的越來越多,， 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LED進行陣列分布布置， 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 光源相比也可以達到路燈照明的要求,， 是以后的路燈發(fā)展趨勢,。但是因為散熱相比陣列式要難， 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有限元軟件對集成大功率熱源LED 路燈散熱器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。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、熱對流和熱輻射,。在LED路燈的散熱系統(tǒng)里,， 三種熱量傳遞方式均有， 但是以熱傳導和熱對流為主,。熱傳導性強弱依賴于產(chǎn)品材料,， 已有很多文章就此進行了研究， 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)的不同而導致的散熱效果差別,。
對流換熱的基本計算公式是牛頓冷卻公式， 把溫差記為△t,， 并約定永遠為正值,， 則牛頓冷卻公式為:
式中h 表面傳熱系數(shù)， 單位W / (m2 K ),。
A 換熱面積,， 單位m2。
由對流換熱速率方程式( 1)可見,， 要想增加對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到。對于自然對流換熱的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的同時向周圍的環(huán)境以對流或?qū)α骷虞椛涞姆椒ㄉl(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軟件對這六個參數(shù)進行分析,， 進行散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,。
圖3 初選散熱器模型。
對與空氣中接觸的散熱器外表面均設(shè)為自然對流,， 對流系數(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體上,。散熱器材料采用ZL104鋁合金， 導熱率為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
正交試驗設(shè)計法具有完成試驗要求所需的實驗次數(shù)少,、數(shù)據(jù)點分布均勻、可用相應的極差分析方法等對試驗結(jié)果進行分析等優(yōu)點,。
本文為了縮小模擬的運算規(guī)模,， 分析散熱器各結(jié)構(gòu)尺寸變化對其溫度場的影響情況， 所以設(shè)計正交試驗對該參數(shù)化模型進行多次熱分析,。把影響最終溫度場分布的六個散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)作為因素,， 每個因素取5個水平(見表1)， 以散熱器質(zhì)量和芯片最高溫度為試驗指標,， 選取正交表L25 ( 56 ),。
綜合考慮LED燈芯的大小以及整個燈體的設(shè)計結(jié)構(gòu)， 以及對散熱器質(zhì)量及體積的要求限制,， 取翅片個數(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。具體五個水平取值如下表1所示,。
表1 正交試驗的參數(shù)表
1. 4 試驗結(jié)果分析
實驗結(jié)果及分析如表2所示,。
表2 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。
從表2可以看出,， 翅片數(shù)目對芯片結(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)果繪制各個因素不同水平對溫度目標的影響圖， 如圖4示,。
根據(jù)質(zhì)量公式可知,， 各個參數(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 六個因素不同水平對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兩個目標的影響是不同的,， 同一因素對于兩個目標影響也不同。因此對于不同因素數(shù)值的選取應本著芯片最高溫度保持最低為主要目標,， 散熱器質(zhì)量最小為次要目標的原則進行,。例如翅片厚度對芯片最高溫度影響排在了第六位， 對質(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， 使質(zhì)量降低,。
在25次的實驗當中,， 可以得知第25 次時,， 即A5B 5C 4D3E 2F 1時， 效果最好,。此時溫度為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到了雙目標優(yōu)化設(shè)計的目的,。
圖5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場,。
圖6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場。
2 結(jié)論與展望
本文通過采用正交試驗法和仿真模擬實驗相結(jié)合對集成大功率光源LED路燈散熱器進行了研究,，用較少次數(shù)的仿真實驗,， 獲得能基本上反映全面情況的試驗資料， 并研究不同參數(shù)對LED 散熱及質(zhì)量的影響的程度,， 進而得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合,。這種優(yōu)化方法對其他翅片形式同樣適用， 對大功率集中式熱源LED燈具的推廣應用具有重大的意義,。