目前大功率的LED光源又分為兩品種型， 一種是陣列分布式大功率LED 光源， 它是將數(shù)個(gè)LED進(jìn)行陣列分布安排， 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。這兩品種型的LED 燈具因LED 芯片安排方式不同， 在配光曲線、占用空間以及散熱上面有所不同。絕對來說， 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 光源比擬也可以到達(dá)路燈照明的要求， 是以后的路燈發(fā)展趨勢。然而由于散熱比擬陣列式要難， 因此壽命縮短， 成為妨礙集成式大功率LED光源發(fā)展的癥結(jié)困難。

　　發(fā)光二極度管LED( L ight Em itting D iode) 路燈， 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(diǎn)。它具備耗電量少、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、環(huán)保等一系列的長處。LED 發(fā)光時(shí)會有局部能量轉(zhuǎn)化為熱量， 因此會使LED芯片溫度升高。而溫度對LED芯片的工作機(jī)能影響極大， 高溫會導(dǎo)致芯片出射的光子減少， 色溫質(zhì)量降落， 加快芯片老化， 縮短器件壽命等重大的成果。因此為保障LED畸形工作， 必需將其披發(fā)出來的熱量及時(shí)的披發(fā)出去。目前大功率LED 芯片運(yùn)用的越來越多， 據(jù)材料顯示大功率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 ， 因而散熱問題更為嚴(yán)格。 

圖2 集成式大功率LED光源

　　本文主要是應(yīng)用ANSYS有限元軟件對集成大功率熱源LED 路燈散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。大功率LED燈具的應(yīng)用溫度要求在75  以下， 因此本次優(yōu)化的目標(biāo)是在力求在LED 芯片結(jié)溫降到最低并小于75  的同時(shí)使散熱器的質(zhì)量有所下降。

　　1 熱量傳遞實(shí)踐與熱分析

　　1. 1 熱量傳遞基礎(chǔ)實(shí)踐

　　熱量傳遞重要有三種方式: 熱傳導(dǎo)、熱對流跟熱輻射路燈。在LED路燈的散熱體系里， 三種熱量傳遞方法均有， 然而以熱傳導(dǎo)跟熱對流為主。熱傳導(dǎo)性強(qiáng)弱依附于產(chǎn)品資料， 已有良多文章就此進(jìn)行了研討， 而且經(jīng)研討表明指出解決LED 散熱問題的要害不是尋找高熱導(dǎo)率的材料而是轉(zhuǎn)變LED 的散熱結(jié)構(gòu)或者散熱方法， 因而本文重要斟酌因散熱器結(jié)構(gòu)的不同而導(dǎo)致的散熱后果差異。

　　對流換熱的基礎(chǔ)盤算公式是牛頓冷卻公式， 把溫差記為△t， 并商定永遠(yuǎn)為正值， 則牛頓冷卻公式為:

圖3 初選散熱器模型。

　　對與空氣中接觸的散熱器表面面均設(shè)為天然對流LED燈具， 對流系數(shù)為7. 5W / ( m2· K )， 環(huán)境溫度設(shè)為40℃， 這樣就能夠保障個(gè)別的情況下LED 路燈的工作溫度在75℃  以下。因?yàn)闊粽值拿芊庾饔茫?模型其余名義均定義為絕熱。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(shí)體上。散熱器資料采取ZL104鋁合金， 導(dǎo)熱率為147W /m  ， 密度為2 650 kg /m3。在慣例壓力與名義毛糙度的情形下， 取鋁鋁之間接觸熱阻為4. 55 ×10-4m2· K /W 。

　　1. 3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法存在實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)要求所需的試驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)散布平均、可用相應(yīng)的極差分析辦法等對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析等長處。

　　本文為了縮小模仿的運(yùn)算范圍， 分析散熱器各結(jié)構(gòu)尺寸變更對其溫度場的影響情況， 所以設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對該參數(shù)化模型進(jìn)行屢次熱分析。把影響終極溫度場分布的六個(gè)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)作為因素LED燈具， 每個(gè)因素取5個(gè)程度(見表1)， 以散熱器質(zhì)量和芯片最高溫度為試驗(yàn)指標(biāo)， 選取正交表L25 ( 56 )。

　　綜合斟酌LED燈芯的大小以及全部燈體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)， 以及對散熱器質(zhì)量及體積的請求限度， 取翅片個(gè)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。詳細(xì)五個(gè)程度取值如下表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的參數(shù)表

　　1. 4 實(shí)驗(yàn)成果剖析

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

　式中h 表面?zhèn)鳠嵯禂?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， 要想增長對流換熱量可以通過增加溫差， 增加表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及增添換熱面積三種方式可以到達(dá)。對做作對流換熱的LED路燈來說， 增添溫差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的辦法不便利采取， 因此本文主要是通過增長換熱表面積。

　　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(dǎo)的同時(shí)向四周的環(huán)境以對流或?qū)α骷虞椛涞姆椒ㄉ�發(fā)燒量。 散熱面積越大LED路燈， 散熱效果越好， 但是并不成簡略的比例關(guān)聯(lián)。

　　1. 2 散熱器模型樹立

　　本文初步設(shè)計(jì)采用平直翅片散熱器如圖3所示。它的結(jié)構(gòu)參數(shù)包含翅片厚度， 高度， 長度以及基板長度， 寬度和厚度， 利用ANSYS軟件對這六個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析， 進(jìn)行散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　從表2可以看出， 翅片數(shù)量對芯片結(jié)溫的影響最大， 翅片高度次之， 以后順次為基板長度、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， 當(dāng)前順次為翅片的數(shù)量、基板長度、基板寬度、基板厚度。即C > B > A >太陽能路燈; E > F >太陽能路燈; D。

　　依據(jù)分析結(jié)果繪制各個(gè)因素不同水平對溫度目的的影響圖， 如圖4示。

　　依據(jù)品質(zhì)公式可知， 各個(gè)參數(shù)在其余參數(shù)不變的情形下， 參數(shù)取值與質(zhì)量成果成正比關(guān)聯(lián)， 取值越大， 品質(zhì)越大， 所以不再繪制曲線圖。

圖4 六個(gè)因素不同水平對芯片最高溫度的影響

　　由極差分析結(jié)果可以得悉不同的因素對兩個(gè)目標(biāo)的影響是不同的， 統(tǒng)一因素對于兩個(gè)目標(biāo)影響也不同。因此對于不同因素?cái)?shù)值的選取應(yīng)本著芯片最高溫度堅(jiān)持最低為主要目標(biāo)， 散熱器質(zhì)量最小為次要目標(biāo)的準(zhǔn)則進(jìn)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。因此可以抉擇較小的翅片厚度， 在盡量不升高溫度的同時(shí)， 使質(zhì)量降低。

　　在25次的試驗(yàn)當(dāng)中， 可以得悉第25 次時(shí)， 即A5B 5C 4D3E 2F 1時(shí)， 后果最好。此時(shí)溫度為59. 61 ℃ ，散熱器質(zhì)量為1. 61 kg， 結(jié)果如圖5示。優(yōu)化當(dāng)前的結(jié)果為A5B 5C1D 5E5F 1。教訓(xùn)證， 此種情況下溫度能夠降到58. 09 ℃ ， 散熱器質(zhì)量降到0. 98 kgLED路燈。結(jié)果如圖6示。

　　可見通過正交分析達(dá)到了雙目的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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 論斷與瞻望

　　本文通過采用正交試驗(yàn)法和仿真模擬實(shí)驗(yàn)相聯(lián)合對集成大功率光源LED路燈散熱器進(jìn)行了研究，用較少次數(shù)的仿實(shí)在驗(yàn)， 取得能根本上反應(yīng)全面情況的試驗(yàn)材料， 并研究不同參數(shù)對LED 散熱及質(zhì)量的影響的水平， 進(jìn)而得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合。這種優(yōu)化方法對其他翅片情勢同樣實(shí)用， 對大功率集中式熱源LED燈具的推廣利用擁有重大的意思。