積分球通用LED光源燈座的優化設計

劉鵬，劉向明，馬建設，

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055

積分球通用LED光源燈座的優化設計

劉鵬1，劉向明1，馬建設2，

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055

積分球內部的直插式燈座既不適用于鋁基板式LED光源的安裝，也不能滿足功率型LED光源的散熱要求.針對這一問題，通過三維軟件為積分球設計一種通用的外接燈座，利用ANSYS軟件的熱分析模塊，對該燈座加載模擬的最大設計熱載荷并進行熱穩態仿真分析，以得到整個燈座的模擬溫度場分布.然后利用ANSYS軟件的多目標驅動優化分析工具，對燈座模擬溫度場中的最高溫度點（區域）進行結構優化設計，以降低燈座的最高溫度.最后在實驗條件下，調節程控直流電源，加載最大設計電功率，驗證熱穩態下整個燈座的實際溫度分布，并與仿真進行比較.結果表明，實驗得到的燈座溫度場分布與仿真得到的溫度場分布十分接近，經優化后的燈座最高溫度明顯降低.

積分球；LED光源；燈座；多目標驅動優化分析；優化設計

0 引言

積分球是專門用于LED光色參數測量和光譜分析的儀器.近年來，LED光源以其體積小、能耗低、響應快、壽命長等諸多優點，在各個領域得到廣泛使用.積分球作為一種重要的LED測試分析儀器，在LED光源的快速研究和發展中發揮了極大作用.

積分球球內設有兩腳直插燈座，適用于兩腳形式的LED光源，但由于目前絕大多數LED光源都采用鋁基板的形式，直插燈座不再適用.此時需另行設計積分球的外接燈座.此外，對于大功率LED光源，外接燈座還需兼具散熱器的功能.本文的目的在于為積分球設計一種通用的外接燈座，該燈座不僅能滿足鋁基板形式的LED光源的便捷安裝與測試，同時能充分滿足LED光源的散熱要求.

1 外接燈座設計方案

本文以0.5 m規格的積分球為例，該積分球球體直徑為500 mm，對光通量的測試范圍為1~1 999 lm.

1.1 LED光源熱耗散功率Pd

良好散熱條件下，通常功率型LED光源的光效可達100 lm／W以上.本文選取實用光效為100 lm／W的光源作為設計樣本，即該規格積分球可測試的LED光源最大功率約20 W.目前LED光電轉換效率只有約20%~30%，剩余的都將轉化為熱量.取光電轉化效率為最低的20%，則該LED光源的熱耗散功率為16 W.

1.2 溫度設計

LED結溫超過120℃后會造成光通量下降、光效降低等不良后果.本文設計要求為LED結溫不高于120℃.LED芯片樣本內熱阻約1.5℃／W，則此芯片殼溫不能高于90℃.鋁基板熱阻約為1℃／W，則鋁基板另一側溫度不高于70℃.鋁基板與燈座間的熱界面材料采用常用的導熱硅脂，導熱系數為3 W／（m·℃），厚度約0.5 mm，其熱阻為0.28℃／W，則燈座最高壁溫不得高于64.4℃.

1.3 外接燈座的設計

經測量，積分球外接端口直徑為46 mm，深度為40 mm.外接燈座采用最常用的矩形肋片式散熱器形式，燈座材料采用最常用材料Al6063－T5，其導熱系數為209 W／（m·℃），表面經過陽極氧化處理，輻射率約為0.6.為消除接觸熱阻，肋片由整塊鋁錠切削加工而來，肋厚與肋間距不宜過小，以保證可加工性.參照相關資料的經驗公式，并結合本文實際，確定燈座各個參數的初始值［1］，如表1所示.

表1 燈座各參數初始設計值Table1The each initial design values of lamp holder

根據燈座入品處尺寸，結合表1中的燈座凸臺尺寸，利用Solidworks軟件建立外接燈座的三維模型，如圖1所示.

圖1 外接燈座三維模型Fig.1Three－dimensional model of the external lamp holder

1.4 散熱方式

自然對流散熱和強制對流散熱是肋片散熱器最常用的兩種散熱方式.本文條件下，燈座的肋片部分暴露在積分球外部，故肋片的外形尺寸可不受空間限制.此外，如采用強制對流散熱，肋片端需加裝風扇固定位，還需考慮風扇供電等問題.綜合以上因素，燈座采用自然對流散熱［2］.

1.5 燈座肋片安裝方向

據場協同理論，當肋片沿重力場方向時有最佳協同角和最佳散熱效果，故肋片沿肋長方向豎直放置.

2 ANSYS Workbench穩態熱分析

ANSYS Workbench的穩態熱分析需給定對流換熱系數，該參數的準確性對于整個熱分析的準確性至關重要.采用試算迭代法來確定自然對流換熱系數.即先假設一個試算值，用ANSYS Workbench穩態熱分析計算得到燈座的溫度場和燈座肋片壁溫［3］，再將此溫度作為條件代入相應的實驗關聯式中，計算出該溫度條件下的對流換熱系數.比較兩個對流換熱系數的差值，并更換新的試算值，用ANSYS Workbench進行第二次穩態熱迭代計算.當前后的換熱系數相差不超過1%，即可認為迭代收斂，得到最終的換熱系數.

據傳熱學理論，確定本文條件下燈座肋片與空氣對流散熱的流態，并利用相關實驗關聯式計算自然對流換熱系數［4］，其迭代過程如表2所示.

表2 迭代計算值Table2Iterative calculation value

從表2可以看出，當試算值h1＝6.7 W/（m·℃）時，穩態熱分析前后的對流換熱系數相差僅為0.4%，迭代收斂，即本文實驗條件下，空氣的自然對流換熱系數為6.7 W/（m·℃），此條件下燈座的ANSYS Workbench的熱穩態分析溫度場如圖2所示.

燈座最高溫度位于與導熱硅脂接觸的壁面，為68.5℃，高于設計要求的64.4℃，因此需要對燈座的肋片參數進行優化，確保燈座最高壁溫不高于設計要求.

圖2 h＝6.7 W·（m·℃）-1時燈座的溫度場分布Fig.2Temperature field distribution of the lamp holder when h＝6.7 W／（m·℃）-1

3 燈座的優化

ANSYS Workbench平臺具有卓越的優化分析能力［5］，本文采用其中的Goal Driven Optimization（多目標驅動優化分析）工具，利用Parameters Correlation（參數相關性優化分析工具）和Response Surface（響應曲面優化分析工具）對燈座的肋片參數進行優化設計［6］.保持肋片數N為7個不變，選取基座厚d、基座長（肋長）L、基座寬W、肋高H、肋厚a、肋間距b等六個參數作為輸入變量，選取燈座最高壁溫和燈座體積兩個參數作為設計輸出.綜合各項邊界條件，給定各設計變量的取值范圍，詳見表3.

表3 設計變量取值范圍Table.3Design variables ranging

系統根據各個變量的取值范圍，采用蒙特卡羅抽樣方法，列出45個設計樣本，分別求解后，自動找出產生極值的四個設計樣本.六個設計變量對輸出目標的影響關系，如圖3所示.從圖3中可以看出，對燈座的體積影響最大的三個設計變量分別是肋厚a、肋高H、肋長L，對燈座壁溫影響最大的三個設計變量分別是肋高H、肋長L、肋厚a，可見這三個設計變量是優化設計的關鍵參數.

圖3 設計變量與輸出目標的敏感關系Fig.3Sensitive relationship between design variables and output targets

設置溫度不高于64.4℃為硬性要求，尋找體積最小的設計樣本.軟件經計算后會自動篩選出的三個最符合要求的設計候選樣本中，其中一個設計樣本有最小體積1.27×105mm3，因此這個設計樣本就是最佳優化設計樣本.

為了便于實際加工，對設計樣本A中的六個設計變量值進行適當處理.為保證基座寬度方向兩端不留空余（即滿足7a＋6b＝W），對多出的寬度予以切除，每個變量的小數點后僅保留一位.按照處理后的設計變量值修改燈座模型，重新進行熱穩態分析，將得到的結果與優化前進行比較，如表4所示.

表4 優化前后的各參數對比Table4Each parameter comparison between before and after optimization

用優化處理后的值更新燈座模型，重新進行熱穩態分析，對應的穩態熱分析得到的溫度分布：最高壁溫為64.2℃，最低壁溫為60.7℃.

4 實驗驗證

按照優化后的燈座尺寸，選擇AL－6063為材料，加工出燈座實體.實驗設備安裝如圖4所示.

采用福祿克公司的紅外測量儀作為測溫設備，將程控直流電源輸入功率設為20 W，點亮LED光源.每隔10 min用紅外測量儀測試一次燈座的溫度，當燈座壁溫不再升高并保持在一個穩定溫度值時，此時燈座溫度到達熱穩態，此時的燈座溫度場分布如圖5所示.

圖4 實驗設備安裝示意圖Fig.4The installation diagram of experimental equipment

圖5 燈座溫度分布Fig.5 The temperature distribution of lamp holder

對比熱穩態仿真得到的溫度分布與實驗條件下得到的溫度分布，如表5所示.

表5 仿真與實驗條件下的燈座溫度分布Table5The temperature distribution under simulation and experiment conditions

從表5可以看出，仿真結果與實驗結果兩者十分接近，說明ANSYS Workbench仿真分析和優化效果是可靠和準確的.

5 結論

在ANSYS Workbench中，利用其強大的多目標驅動優化分析工具，結合穩態熱分析，闡述了在滿足燈座壁溫不超過最高設計壁溫的前提下，縮小燈座體積，減輕燈座重量并節省材料的優化設計方法，并用實驗證實了這種優化效果.與傳統方法相比，該設計方法不僅省時和高效，而且大大降低了生產成本.對于此類問題的優化設計均具有指導意義.

致謝

在研究過程中，清華大學深圳研究生院國家光盤中心提供了實驗場地與實驗設備，在此表示衷心的感謝！

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Optimum design of universal LED light source holder for integrating sphere based on ANSYS

LIU Peng1，LIU Xiang－ming1，MA Jian－she2
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institution of Technology，Wuhan 430205，China；2.Graduate School at SHENZHEN，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China

The internal direct－insert－type lamp holder of integrating sphere was not suited for the installment of aluminium substrate－type LED light source，and it was also not met the cooling requirement of the power LED light source.To solve this problem，an universal external lamp holder for integrating sphere was designed by 3D software，and the entire temperature distribution of this lamp holder was simulated by the thermal analysis module of ANSYS software，after loading the simulant maximal design load and making a thermal steady－state analysis.Then according to the highest temperature distribution points（areas），the structural optimization design of the lamp holder was made by the goal driven optimization tool of ANSYS software to reduce the maximal temperature of the lamp holder.Finally，the actual temperature distribution in the thermal steady－state was verified and the temperature distribution was compared with the simulation results，after loading the maximal design electric power by regulating the programmable direct current power source under experimental conditions.The results show that the temperature distribution of lamp holder obtained by experiment is very close to the temperature distribution obtained by the simulation，and the maximum temperature of the lamp holder is reduced significantly after optimization.

integrating sphere；LED light source；lamp holder；goal driven optimization；optimum design

TP3

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.011

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0049－05

2014-12-04

劉鵬（1986-），男，湖北孝感人，碩士研究生.研究方向：機密儀器設計與控制.