大功率LED燈具散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

丁彩紅，張?zhí)煊睿_　俊，崔亞飛，俞劉杰

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

大功率LED燈具散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

丁彩紅*，張?zhí)煊睿_俊，崔亞飛，俞劉杰

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

LED的散熱性能對(duì)其壽命有重要的影響，而現(xiàn)階段LED的散熱器設(shè)計(jì)很多依靠的是經(jīng)驗(yàn)值。針對(duì)這一問題，文章提出一種散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了散熱器翅片單一因素對(duì)散熱性能的影響，然后運(yùn)用正交試驗(yàn)法，綜合分析了各因素對(duì)散熱性能的影響程度，最終得到了翅片參數(shù)的最優(yōu)水平組合。最后利用此方法，設(shè)計(jì)了一款新的散熱器，實(shí)驗(yàn)表明該LED燈源芯片溫度比優(yōu)化前降低了6℃，并計(jì)算了優(yōu)化后翅片的效率達(dá)到98.63%。

LED散熱；散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)；Flow Simulation；正交試驗(yàn)

LED作為新型光源，是一種直接把電轉(zhuǎn)化成光的固態(tài)半導(dǎo)體器件。LED的發(fā)展在很大程度上改善了傳統(tǒng)燈具的缺點(diǎn)和不足，但仍存在許多問題制約其發(fā)展，其中散熱是根本性的問題。對(duì)于大功率LED燈，目前只有約15%的電能轉(zhuǎn)換為光能，其余均轉(zhuǎn)化為熱能。LED器件的散熱性比較差，致使出現(xiàn)LED的光輸出量減少、使用壽命縮短、發(fā)出的主波長(zhǎng)偏移等問題［1］。因此如何提高LED燈具散熱能力是大功率LED燈具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料絕大部分把LED的散熱研究集中在芯片結(jié)到外延層的封裝、外延層到基板的優(yōu)化上。而很少有人對(duì)散熱器散熱進(jìn)行全面、深入的理論研究分析，現(xiàn)有的LED燈具散熱器多為經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)，散熱系統(tǒng)的散熱性能比較差，散熱器翅片效率也較低，以至于目前LED燈具的散熱問題仍然很嚴(yán)重。因而，對(duì)大功率LED燈具散熱器進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在解決熱問題的眾多方法中，運(yùn)用熱分析軟件對(duì)傳熱體進(jìn)行實(shí)體建模與仿真分析是解決器件散熱問題的最有效方法之一［2］。本研究選用Flow Simulation軟件對(duì)所選燈具先建模，后仿真計(jì)算，得出溫度分布情況，然后分析單一因素對(duì)翅片散熱的影響，運(yùn)用正交試驗(yàn)得出各因素對(duì)散熱性能影響的大小。最后在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的效果［3］。

收稿日期：2015-06-22修改日期：2015-07-14

1　LED燈具試制與模擬

本研究選用現(xiàn)有4款光源相同，但散熱結(jié)構(gòu)不同的LED燈作為模型。4款燈的光源由18顆相同的LED橫向陣列分布，每顆LED的額定功率為1 W，實(shí)物如圖1所示。

運(yùn)用FlowSimulation對(duì)4款LED燈具進(jìn)行散熱分析。首先，在定義環(huán)境參數(shù)和燈具各部分材料屬性及熱源屬性后劃分網(wǎng)格。其次，在芯片上施加熱源載荷，在各個(gè)裝置的散熱器和翅片部分加載對(duì)流載荷，將未施加載荷的面視為絕熱，最后設(shè)置運(yùn)算目標(biāo)，采用穩(wěn)態(tài)分析進(jìn)行計(jì)算［4-6］。模擬溫度云圖如圖2所示。

通過這4款燈具散熱器翅片的基本參數(shù)和輸入功率，可以估計(jì)其單位功耗面積。同時(shí)，對(duì)比4款燈具的LED芯片溫度和翅片效率，結(jié)果如表1所示。

為了進(jìn)一步降低芯片與散熱器末端的平均溫度，優(yōu)化翅片效率，本研究繼續(xù)做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖14　款LED燈

圖24　款LED燈溫度分布云圖

表1　4款散熱器的散熱參數(shù)

2　翅片散熱影響因素分析

2.1翅片散熱單一影響參數(shù)的分析

散熱器本身材料的性能對(duì)散熱性能有著很大的影響，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、輻射率等，但這些因素在散熱器材料選定時(shí)就固定不變了。本節(jié)通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了散熱器的翅片高度、翅片間距、翅片厚度、底板厚度這4種因素對(duì)散熱器散熱性能的影響。散熱器采用的矩形翅片結(jié)構(gòu)，均布于散熱器底部，如圖3所示。

初步確定散熱器各參數(shù)初值翅片厚度S為1 mm、翅片高度H為15 mm、翅片間距J為3 mm、底板厚度K為1.5 mm，再通過改變某一參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，來分析LED芯片結(jié)溫變化情況。由圖4分析可知：①芯片溫度隨著翅片厚度的增加呈現(xiàn)不規(guī)則的趨勢(shì)上升，這是因?yàn)樯崞鞒崞瑪?shù)目隨著翅片厚度的增加而相應(yīng)的減少，致使散熱表面積減小；②芯片溫度隨著翅片高度H增加呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小；③芯片的溫度隨間距J的增加呈不規(guī)則的上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樯崞鞒崞臄?shù)目隨著翅片間距的增加而相應(yīng)的減少，致使散熱表面積減?。虎苄酒瑴囟入S著底板厚度K的增加呈線性下降趨勢(shì)。綜合考慮芯片溫度、散熱器質(zhì)量、散熱效率、加工難度，在接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，翅片厚度選擇在0.5 mm～2.0 mm的范圍內(nèi)，翅片高度選擇在5.0 mm～15.0 mm的范圍內(nèi)，翅片間距選擇在2.0 mm左右，散熱器底板厚度選擇在1.5 mm～2.5 mm的范圍內(nèi)。

圖3　散熱器結(jié)構(gòu)及尺寸

圖4　單一因素實(shí)驗(yàn)LED芯片溫度曲線

2.2多因素影響的正交試驗(yàn)

把影響散熱器散熱性能的翅片厚度、翅片高度、翅片間距、底板厚度、4個(gè)參數(shù)作為因素，分別記為因素A、B、C、D。每個(gè)因素取4個(gè)水平，以散熱器模型質(zhì)量和LED芯片最高溫度為指標(biāo)，采用 L10正交表模擬實(shí)驗(yàn)［7-10］，再利用熱仿真軟件對(duì)每組試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如表2所示。

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果表

由參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中的正交實(shí)驗(yàn)表可知，僅改變散熱器的結(jié)構(gòu)，芯片最高溫度最低的為51.47℃，芯片最高溫度最高的可達(dá)67.43℃，相差了16℃之多，可見散熱器的結(jié)構(gòu)對(duì)大功率LED燈具的影響很大。

對(duì)正交試驗(yàn)表具體分析：

（1）分析散熱性能最好的試驗(yàn)4和試驗(yàn)11，兩組試驗(yàn)的芯片最高溫度差0.79℃，兩組試驗(yàn)散熱器的底板厚度一樣，試驗(yàn)11翅片厚度是試驗(yàn)4的兩點(diǎn)五倍，翅片高度是試驗(yàn)11的三分之五，兩者散熱能力差不多。在散熱器寬度尺寸不變的情況下，翅片間距和翅片厚度可以決定翅片數(shù)目。由此可知，試驗(yàn)11中翅片很長(zhǎng)，間距也合適，但翅片數(shù)目較少，需要通過增大翅片高度來提高散熱能力，使得翅片外形粗而大，導(dǎo)致散熱器質(zhì)量明顯增大。可見，選擇合適的翅片高度與翅片數(shù)目相匹配尤為重要。

（2）比較試驗(yàn)3、5、12、16，由其翅片間距和翅片厚度計(jì)算出翅片數(shù)目皆為12、翅片高度不同，而芯片最高溫度相差不超過6℃。這說明在一定程度上翅片的間距和翅片厚度確定之后，該散熱器的散熱能力就確定在一定范圍內(nèi)了，這時(shí)再通過確定翅片高度和底板厚度使散熱器的散熱能力達(dá)到最佳。

對(duì)表2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如表3所示，表中Kij表示正交表中第j列上水平為i的各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的加和；j表示驗(yàn)水平i在正交表中第j列的平均值，其中s為第j列上水平號(hào)i出現(xiàn)的次數(shù)；

表3　正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

從試驗(yàn)方案的極差入手分析，一般情況下，每列每個(gè)水平的極差對(duì)是不相等的，說明各列中因素水平的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是不一樣的。極差越大，則該因素水平的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。由表3可得：

說明，對(duì)于設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)中各因素對(duì)指標(biāo)即芯片溫度的影響主次順序?yàn)椋?/p>

3　散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1確定最優(yōu)方案

圖5表示了各因素水平對(duì)芯片溫度的影響，對(duì)于主要因素A（翅片厚度）和因素B（翅片高度），都選擇了具有最優(yōu)的水平2和水平4；而對(duì)于次要因素C（翅片間距）和因素D（底板厚度）則選擇了溫度最低的水平，因此得到最優(yōu)的試驗(yàn)方案為A2B4C2D4，即翅片厚度1.5 mm，翅片高度25 mm，翅片間距2.0 mm，底板厚度3.0 mm。

圖5　各因素水平與芯片溫度關(guān)系圖

3.2基于Flow Simulation的驗(yàn)證

對(duì)得到的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，利用FlowSimulation軟件進(jìn)行仿真模擬得到散熱器模型的溫度分布如圖6（b）所示。

圖6　第4款燈具優(yōu)化前后溫度對(duì)比圖

結(jié)果顯示散熱器質(zhì)量為2.147 kg，芯片溫度只有41.84℃，散熱器末端溫度為26.82℃，都比優(yōu)化前的要低（優(yōu)化前芯片溫度48.66℃，散熱器末端溫度34.95℃），說明散熱性能明顯提高；根據(jù)相關(guān)公式［11］經(jīng)過計(jì)算該款散熱器翅片效率ηi=98.63%；散熱器翅片散熱量φ=20.52 W；未安裝翅片時(shí)翅片基部的散熱量φ無短片=λA0θ0=8；=2.69倍。另外，從溫度分布圖上看芯片附近高溫區(qū)域很小，整個(gè)散熱器及內(nèi)部溫度分布均勻，芯片與散熱器近端溫差和散熱器末端與表面空氣溫差都比優(yōu)化前高，說明優(yōu)化后燈具熱傳導(dǎo)性能和對(duì)流傳熱性能都有所提高。

4　結(jié)束語

針對(duì)目前大功率LED燈散熱器的問題，本研究針對(duì)一款大功率LED燈散熱器進(jìn)行了熱分析和熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析研究了影響LED散熱器翅片性能的因素。并借助Flow Simulation軟件對(duì)LED燈具進(jìn)行熱仿真分析，結(jié)果顯示要增加散熱器的性能可以：

（1）增加散熱器翅片厚度來減小熱阻；

（2）增加散熱器翅片高度來增加散熱面積；

（3）翅片間距與底板厚度對(duì)芯片溫度影響相對(duì)較小。

最后，本文針對(duì)研究結(jié)果提出了散熱器優(yōu)化方案，該方案的散熱器翅片效率和散熱表面積都很高，翅片結(jié)構(gòu)合理，芯片溫度比正交試驗(yàn)中的16組方案的芯片溫度都低，散熱倍數(shù)較高，說明方案的散熱效果較好；計(jì)算得的LED結(jié)溫也是最低，因此該試驗(yàn)方案為最優(yōu)的試驗(yàn)方案。

［1］ 李炳乾.1W級(jí)大功率白光LED發(fā)光效率研究［J］.光電器件，2005，26（4）：314-316.

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［3］ 劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式大功率LED路燈散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2010，33（4）：481-484.

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丁彩紅（1973-），女，漢族，浙江舟山人，東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教師，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和故障診斷技術(shù)等；

張?zhí)煊睿?989-），男，漢族，江蘇南通人，東華大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)ED器件散熱研究，zhangtianyu218@sina.com。

Optimization Design Research on High Power LED Lamps of Radiator

DING Caihong*，ZHANG Tianyu，LUO Jun，CUI Yafei，YU Liujie
（College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

LED heat dissipation performance has a crucial effect on their life.However，many radiator design methods of LED still rely on experience value at this stage.To address this problem，a kind of optimization design method of the radiator is presented.Firstly，the radiator fin single factor effect on the performance of heat dissipation is studied based on a large number of experimental data.Secondly，the impact of various factors is comprehensively analysed on cooling performance with the orthogonal experiment.Finally，the optimal level combination of the fin parameters is obtained.At last，a new radiator was designed based on this method.And the experimental results indicate that the temperature of the LED light source chip reduces 6℃after optimization，the efficiency of the optimized fin reached 98.63%.

led heat dissipation；thermal optimization design；flow simulation；the orthogonal experiment

TM923.02

A

1005-9490（2016）03-0750-05

EEACC：4260D；7210X10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.049