發光二極度管LED( L ight Em itting D iode) ， 作為新一代綠色環保型固體照明光源， 已經成為人們關注的焦點。它具有耗電量少、光色純、全固態、質量輕、體積小、環保等一系列的優點。LED 發光時會有部分能量轉化為熱量， 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， 必須將其散發出來的熱量及時的散發出去。目前大功率LED 芯片應用的越來越多， 據資料顯示大功率LED 只能將約10% ~15%的輸入功率轉化為光能， 而將其余85% ~ 90%轉化為熱能 ， 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光源發展的關鍵難題。
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 路燈散熱器進行結構優化設計。大功率LED燈具的使用溫度要求在75 以下， 因此本次優化的目的是在力求在LED 芯片結溫降到最低并小于75 的同時使散熱器的質量有所降低。
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品材料， 已有很多文章就此進行了研究， 而且經研究表明指出解決LED 散熱問題的關鍵不是尋找高熱導率的材料而是改變LED 的散熱結構或者散熱方式， 因此本文主要考慮因散熱器結構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， 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， 增加表面傳熱系數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， 增加溫差和表面傳熱系數的方法不方便采用， 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境以對流或對流加輻射的方法散發熱量。 散熱面積越大， 散熱效果越好， 但是并不成簡單的比例關系。
1. 2 散熱器模型建立
本文初步設計采用平直翅片散熱器如圖3所示。它的結構參數包括翅片厚度， 高度， 長度以及基板長度， 寬度和厚度， 利用ANSYS軟件對這六個參數進行分析， 進行散熱器的結構設計。
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為自然對流， 對流系數為7. 5W / ( m2· K )， 環境溫度設為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%轉化為光能， 85% 轉化為熱能， 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 優化設計
正交試驗設計法具有完成試驗要求所需的實驗次數少、數據點分布均勻、可用相應的極差分析方法等對試驗結果進行分析等優點。
本文為了縮小模擬的運算規模， 分析散熱器各結構尺寸變化對其溫度場的影響情況， 所以設計正交試驗對該參數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構參數作為因素， 每個因素取5個水平(見表1)， 以散熱器質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計結構， 以及對散熱器質量及體積的要求限制， 取翅片個數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 正交試驗的參數表
1. 4 試驗結果分析
實驗結果及分析如表2所示。
表2 試驗結果數據。
從表2可以看出， 翅片數目對芯片結溫的影響最大， 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量影響最大， 翅片高度次之， 以后依次為翅片的數目、基板長度、基板寬度、基板厚度。即C > B > A > E > F > D。
根據分析結果繪制各個因素不同水平對溫度目標的影響圖， 如圖4示。
根據質量公式可知， 各個參數在其他參數不變的情況下， 參數取值與質量結果成正比關系， 取值越大， 質量越大， 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 ℃ ，散熱器質量為1. 61 kg， 結果如圖5示。優化以后的結果為A5B 5C1D 5E5F 1。經驗證， 此種情況下溫度可以降到58. 09 ℃ ， 散熱器質量降到0. 98 kg。結果如圖6示。
可見通過正交分析達到了雙目標優化設計的目的。
圖5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散熱結構下的穩態溫度場。
圖6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散熱結構下的穩態溫度場。
2 結論與展望
本文通過采用正交試驗法和仿真模擬實驗相結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， 并研究不同參數對LED 散熱及質量的影響的程度， 進而得到一組優化的參數組合。這種優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。