大功率LED燈散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘裕+向文江

摘 要：針對(duì)大功率LED燈工作時(shí)散熱性差、燈具光功率減小、燈芯片易老化等問(wèn)題，對(duì)大功率LED燈的散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。詳細(xì)介紹了LED燈散熱技術(shù)、燈具的熱分析及散熱片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并就LED燈散熱問(wèn)題在ANSYS軟件中搭建模型進(jìn)行散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與熱分析。仿真結(jié)果表明，通過(guò)熱分析實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，理論上在大功率LED燈中安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)后的散熱片可以很好的解決燈具工作時(shí)的散熱問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：大功率LED燈；熱分析；ANSYS軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.005

0 引言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）屬于21世紀(jì)具有好的發(fā)展前景的新型冷光源[1]。LED燈的發(fā)光原理理就是靠是靠發(fā)光二極管內(nèi)部的PN結(jié)里的電子在能帶間躍遷進(jìn)而產(chǎn)生光能，但芯片會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，尤其是大功率型LED。若將多個(gè)LED串并聯(lián)組裝成一個(gè)模組，其散發(fā)出的熱量會(huì)大大增加。目前，LED整體工作效能不是很好，只有15%-20%的電能量成功轉(zhuǎn)化為光能，而剩余的80%-85%的電能量則通過(guò)其它形式轉(zhuǎn)化為熱能，致使芯片功率密度變得很大。在行業(yè)內(nèi)LED器件的散熱性整體而言較差，首先，因?yàn)榘l(fā)白光的LED燈其發(fā)光的光譜中并不包含紅外部分，即其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不能依靠紅外輻射進(jìn)行釋放；其次，LED燈具本身的擴(kuò)散熱阻與解除熱阻很大，工作時(shí)產(chǎn)生熱量較多。在LED燈工作時(shí)，若散熱性不好將會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果[2]，如縮減LED燈的光能量輸出，減少器件的使用壽命，會(huì)造成LED發(fā)射光的主波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移等。

近年來(lái)，如何使LED燈工作時(shí)產(chǎn)生的熱能以最快的方式散發(fā)出去這一關(guān)鍵問(wèn)題被國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注，進(jìn)而相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行各種研究。由于LED燈具多采用經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)進(jìn)行散熱，散熱裝置過(guò)于傳統(tǒng)且專業(yè)性不高，導(dǎo)致當(dāng)前LED燈具的散熱問(wèn)題仍未得到解決。因而，通過(guò)對(duì)大功率LED燈具的熱分析與熱設(shè)計(jì)后進(jìn)行散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有及其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

論文詳細(xì)介紹了LED燈的散熱技術(shù)并建立相應(yīng)散熱器模型，然后選取了一款大功率的LED燈作為論文的研究模型，利用ANSYS有限元分析軟件[3]對(duì)該款LED燈模型進(jìn)行熱分析，得到燈具各點(diǎn)的溫度分布與芯片工作時(shí)產(chǎn)生的最高溫度，在上述測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)該燈的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到十分滿意的散熱效果。

1 LED燈散熱技術(shù)及模型建立

1.1 LED燈散熱技術(shù)

對(duì)大功率LED燈進(jìn)行散熱的主要技術(shù)有散熱片、熱管、均溫板、輻射涂覆層、導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊片等[4-6]。其中，散熱片是選用擴(kuò)大表面積的方式將熱對(duì)流逐漸散發(fā)到環(huán)境里，干擾散熱片其散熱性能的相關(guān)因素主要有散熱片的形狀、翅片的相對(duì)數(shù)量、各間距、設(shè)計(jì)的尺寸大小、安裝的傾斜角度、制作材料以及生產(chǎn)加工工藝等。論文里所選用的燈具模型在工作時(shí)就選用散熱片進(jìn)行熱量驅(qū)散。熱管則是利用冷凝液對(duì)應(yīng)的循環(huán)變化，將LED燈工作時(shí)產(chǎn)生的高熱量疏導(dǎo)出并散發(fā)去。通常情況下，散熱片會(huì)與熱管的冷端結(jié)合使用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)更好熱量驅(qū)散效果。均溫板與熱管的制作及使用原理相似，只是熱管屬于單向的一維傳熱形式，而均溫板采用面?zhèn)鳠?，整體設(shè)計(jì)為二維性，令散熱器表面接受溫度均勻。輻射涂覆層是用于散熱器的外表面進(jìn)行涂覆進(jìn)行散熱的涂料，目的是為了提高整體輻射率，使產(chǎn)生的熱能有效的驅(qū)散輻射出去。而導(dǎo)熱膏與導(dǎo)熱墊片則是通過(guò)減小接觸的熱阻進(jìn)行散熱。

論文采用翅片作為大功率LED燈散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要器件，它是一種十分有效的增強(qiáng)換熱表面的設(shè)計(jì)方法。它可以令產(chǎn)生的熱流量沿著肋高度的對(duì)應(yīng)方向進(jìn)行傳導(dǎo)，并同時(shí)向周邊環(huán)境進(jìn)行以對(duì)流或者對(duì)流疊加輻射的方法進(jìn)行熱量驅(qū)散。其散熱的表面積越大，驅(qū)散熱量效果越佳，但并不構(gòu)成簡(jiǎn)單的比例關(guān)系運(yùn)算。

1.2 LED燈散熱器模型建立

論文初步設(shè)計(jì)采用平直翅片散熱器如圖1所示。它整個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要有翅片厚度、高度、長(zhǎng)度及基板長(zhǎng)度、寬度和厚度，整個(gè)散熱片的結(jié)構(gòu)利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行參數(shù)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)散熱器的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。

將與空氣進(jìn)行接觸的散熱外表面統(tǒng)一設(shè)定為自然對(duì)流，并規(guī)定對(duì)應(yīng)的對(duì)流系數(shù)設(shè)為7. 5W / （ m2· K ），工作環(huán)境溫度設(shè)定為40℃，便可保證通常情況下大功率LED燈在溫度在低于75℃ 安全工作。由于燈罩是處于密封狀態(tài)的，模型中的其他表面便定義為絕熱體。選用ZL104鋁合金作為大功率LED燈散熱器的主要設(shè)計(jì)材料，它的導(dǎo)熱率達(dá)到147W /m ，其密度可達(dá)2 650 kg /m3，處于常規(guī)壓力且表面是粗糙度高的情況下，選取兩者之間的接觸熱阻為4. 55 ×10-4m2· K /W 。綜上述分析，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 大功率 LED燈的熱分析

論文采用一款大功率LED燈為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究，運(yùn)用ANSYS仿真軟件對(duì)該套燈具的產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱仿真分析。

2.1 燈具熱網(wǎng)絡(luò)模型

論文根據(jù)燈具結(jié)構(gòu)，特選用芯片—銀膠—銅熱沉—導(dǎo)熱硅膠—線路板—導(dǎo)熱硅膠—散熱片—環(huán)境作為主要散熱途徑，即LED燈產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱沉、導(dǎo)熱硅膠、線路板、導(dǎo)熱硅膠傳導(dǎo)到散熱片上，再由散熱片經(jīng)對(duì)流方式驅(qū)散熱量到空氣中。依據(jù)上述分析的主要散熱途徑進(jìn)行模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：先將LED燈珠通過(guò)透鏡簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體進(jìn)而減少計(jì)算量；再將發(fā)熱芯片和熱沉之間的銀膠簡(jiǎn)化成0.1 mm左右的薄板；最后將燈珠與散熱片間的傳導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行簡(jiǎn)化成0.3 mm的薄板。簡(jiǎn)化后的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其燈熱總體網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖3。

2.2 LED燈具熱分析

根據(jù)燈具的實(shí)際使用場(chǎng)合和具體工作情況進(jìn)行熱分析的邊界條件確定如下：

（1）每個(gè)LED燈功率為15 W，其發(fā)光的工作效率為20%，所以每個(gè)LED燈產(chǎn)生熱量的功率達(dá)到12W，即將每個(gè)source 的total heat 定義為12 W。endprint

（2）該燈具為隧道中的道路照明燈，最高溫度低于100℃，不必考慮太陽(yáng)能的輻射。

（3）實(shí)際使用過(guò)程中，該燈具安裝在外界空氣流通的環(huán)境中，處于自然對(duì)流的情況，所以定義安裝箱體的6個(gè)面均屬于開(kāi)環(huán)，并設(shè)定工作環(huán)境溫度為25 ℃。

本研究參考了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)制作材料手冊(cè)，最終確定各項(xiàng)材料的特性如表1 所示。

最后，對(duì)燈具進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算后得到燈具的整體溫度分布結(jié)果如圖4所示。在圖4中，可清晰的看出LED燈燈芯處溫度最高溫度高達(dá)76.23 ℃，要綜合考慮環(huán)境因素帶來(lái)的誤差，該點(diǎn)的溫度極有可能超過(guò)80 ℃，可見(jiàn)，該LED燈具當(dāng)前的散熱效果比較差，有必要進(jìn)行散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)熱分析得到該燈具溫度高的主要原因是：線路板各層間厚度大且熱量傳導(dǎo)性差，還有就是散熱層過(guò)多，導(dǎo)致導(dǎo)熱瓶頸，LED燈燈芯產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)的導(dǎo)散出去。

3 散熱片優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)前大功率LED燈均采用散熱片作為散熱器，散熱片的主要機(jī)理是利用大散熱面積實(shí)現(xiàn)對(duì)流散熱。對(duì)于散熱片本身結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的形狀、加工的工藝、設(shè)計(jì)尺寸及制作材料可決定其散熱的整體性能。論文主要對(duì)散熱片的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其主要尺寸包含翅片的厚度A、翅片的間距B、翅片的高度H 及散熱片底板的厚度C，如圖5所示。本例中設(shè)定A=2 mm，B=6 mm，H=40 mm，C=4 mm進(jìn)行分析。

論文運(yùn)用ANSYS仿真軟件采用參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道照明燈中散熱片的尺寸優(yōu)化，具體優(yōu)化流程如下：

（1）首先當(dāng)H=40，C=4時(shí)，分別取A為1.5，2，2.5，3，B為4.5，5，5.5，6，對(duì)A、B相互組合便可到16組值，通過(guò)仿真計(jì)算可得16種情況下的結(jié)溫，并將同一A值下的結(jié)溫與B值的關(guān)系繪制成曲線，如圖6所示。

從圖6可以看到，對(duì)于相同的A值，4條曲線變化趨勢(shì)相似，基本隨著翅片間的間距增大而結(jié)溫先降低后升的趨勢(shì)，此外，從圖中還看出，當(dāng)A=2，B=6時(shí)，結(jié)溫達(dá)到最低。

（2）當(dāng)A=2，B=6，H=40的情況下，取C為3，4，5，6，7，8，9，得到C值與結(jié)溫的關(guān)系，繪制曲線圖如圖7所示。從圖7中曲線圖可以看出，隨著基板厚度上升，結(jié)溫先速降，隨之慢慢變得平緩，甚至有略微的升高趨勢(shì)，且在C為6時(shí)，達(dá)到結(jié)溫最小值。

（3）當(dāng)A=2，B=6，C=6的情況下，分別取H值為30，40，50，60，70，80，90，得到H值與結(jié)溫的變化關(guān)系，繪制成曲線如圖8所示。從圖8中可看出，隨著翅片逐漸變高，結(jié)溫先急速下降，隨后緩緩變化，由此可得出，合理提升翅片高度可有效降低結(jié)溫。另外，當(dāng)H=60時(shí)，翅片高度和結(jié)溫的選值達(dá)到最佳。則當(dāng)A=2、B=6、C=6、H=60時(shí)散熱片的散熱效果達(dá)到最佳，該時(shí)刻結(jié)溫為70.97 ℃，比起優(yōu)化前降低了大約5.35 ℃。由此可得，進(jìn)行散熱片的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果很明顯。

4 結(jié)論

論文針對(duì)一款大功率LED燈進(jìn)行了熱分析與散熱片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ANSYS仿真軟件對(duì)改進(jìn)前后LED燈具進(jìn)行溫度仿真分析。仿真結(jié)果表明，通過(guò)熱分析可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，從理論上在大功率LED燈中安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)后的散熱片可以很好的解決燈具工作時(shí)的散熱問(wèn)題。

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基金項(xiàng)目：本文系邵陽(yáng)學(xué)院 研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目 ，基于ANSYS車輛的LED燈散熱器的研究（CX2016SY018）

作者簡(jiǎn)介：潘裕（1992-），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生在讀，研究方向：裝用裝備設(shè)計(jì)與制造。endprint