大功率LED燈具散熱器的優(yōu)化設計研究

丁彩紅，張?zhí)煊睿_　俊，崔亞飛，俞劉杰

（東華大學機械工程學院，上海201620）

大功率LED燈具散熱器的優(yōu)化設計研究

丁彩紅*，張?zhí)煊睿_俊，崔亞飛，俞劉杰

（東華大學機械工程學院，上海201620）

LED的散熱性能對其壽命有重要的影響，而現階段LED的散熱器設計很多依靠的是經驗值。針對這一問題，文章提出一種散熱器的優(yōu)化設計方法。該方法首先基于大量實驗數據研究了散熱器翅片單一因素對散熱性能的影響，然后運用正交試驗法，綜合分析了各因素對散熱性能的影響程度，最終得到了翅片參數的最優(yōu)水平組合。最后利用此方法，設計了一款新的散熱器，實驗表明該LED燈源芯片溫度比優(yōu)化前降低了6℃，并計算了優(yōu)化后翅片的效率達到98.63%。

LED散熱；散熱優(yōu)化設計；Flow Simulation；正交試驗

LED作為新型光源，是一種直接把電轉化成光的固態(tài)半導體器件。LED的發(fā)展在很大程度上改善了傳統燈具的缺點和不足，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。對于大功率LED燈，目前只有約15%的電能轉換為光能，其余均轉化為熱能。LED器件的散熱性比較差，致使出現LED的光輸出量減少、使用壽命縮短、發(fā)出的主波長偏移等問題［1］。因此如何提高LED燈具散熱能力是大功率LED燈具實現產業(yè)化亟待解決的關鍵技術之一。目前，國內外的文獻資料絕大部分把LED的散熱研究集中在芯片結到外延層的封裝、外延層到基板的優(yōu)化上。而很少有人對散熱器散熱進行全面、深入的理論研究分析，現有的LED燈具散熱器多為經驗化設計，散熱系統的散熱性能比較差，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重。因而，對大功率LED燈具散熱器進行熱分析和熱設計具有重要的現實意義。

在解決熱問題的眾多方法中，運用熱分析軟件對傳熱體進行實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軟件對所選燈具先建模，后仿真計算，得出溫度分布情況，然后分析單一因素對翅片散熱的影響，運用正交試驗得出各因素對散熱性能影響的大小。最后在實體模型的基礎上對散熱結構進行優(yōu)化，并驗證了優(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

本研究選用現有4款光源相同，但散熱結構不同的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，實物如圖1所示。

運用FlowSimulation對4款LED燈具進行散熱分析。首先，在定義環(huán)境參數和燈具各部分材料屬性及熱源屬性后劃分網格。其次，在芯片上施加熱源載荷，在各個裝置的散熱器和翅片部分加載對流載荷，將未施加載荷的面視為絕熱，最后設置運算目標，采用穩(wěn)態(tài)分析進行計算［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和輸入功率，可以估計其單位功耗面積。同時，對比4款燈具的LED芯片溫度和翅片效率，結果如表1所示。

為了進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)做了相關實驗。

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

2　翅片散熱影響因素分析

2.1翅片散熱單一影響參數的分析

散熱器本身材料的性能對散熱性能有著很大的影響，如導熱系數、比熱容、輻射率等，但這些因素在散熱器材料選定時就固定不變了。本節(jié)通過大量的實驗數據，重點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種因素對散熱器散熱性能的影響。散熱器采用的矩形翅片結構，均布于散熱器底部，如圖3所示。

初步確定散熱器各參數初值翅片厚度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，其余參數保持不變，來分析LED芯片結溫變化情況。由圖4分析可知：①芯片溫度隨著翅片厚度的增加呈現不規(guī)則的趨勢上升，這是因為散熱器翅片數目隨著翅片厚度的增加而相應的減少，致使散熱表面積減小；②芯片溫度隨著翅片高度H增加呈指數函數規(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，這是因為散熱器翅片的數目隨著翅片間距的增加而相應的減少，致使散熱表面積減小；④芯片溫度隨著底板厚度K的增加呈線性下降趨勢。綜合考慮芯片溫度、散熱器質量、散熱效率、加工難度，在接下來的優(yōu)化設計中，翅片厚度選擇在0.5 mm～2.0 mm的范圍內，翅片高度選擇在5.0 mm～15.0 mm的范圍內，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。

圖3　散熱器結構及尺寸

圖4　單一因素實驗LED芯片溫度曲線

2.2多因素影響的正交試驗

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個參數作為因素，分別記為因素A、B、C、D。每個因素取4個水平，以散熱器模型質量和LED芯片最高溫度為指標，采用 L10正交表模擬實驗［7-10］，再利用熱仿真軟件對每組試驗進行計算，所得結果如表2所示。

表2　正交試驗結果表

由參數優(yōu)化實驗中的正交實驗表可知，僅改變散熱器的結構，芯片最高溫度最低的為51.47℃，芯片最高溫度最高的可達67.43℃，相差了16℃之多，可見散熱器的結構對大功率LED燈具的影響很大。

對正交試驗表具體分析：

（1）分析散熱性能最好的試驗4和試驗11，兩組試驗的芯片最高溫度差0.79℃，兩組試驗散熱器的底板厚度一樣，試驗11翅片厚度是試驗4的兩點五倍，翅片高度是試驗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目。由此可知，試驗11中翅片很長，間距也合適，但翅片數目較少，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，導致散熱器質量明顯增大。可見，選擇合適的翅片高度與翅片數目相匹配尤為重要。

（2）比較試驗3、5、12、16，由其翅片間距和翅片厚度計算出翅片數目皆為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了，這時再通過確定翅片高度和底板厚度使散熱器的散熱能力達到最佳。

對表2進行數據處理，如表3所示，表中Kij表示正交表中第j列上水平為i的各個試驗指標的加和；j表示驗水平i在正交表中第j列的平均值，其中s為第j列上水平號i出現的次數；

表3　正交試驗數據處理

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

說明，對于設計的正交試驗中各因素對指標即芯片溫度的影響主次順序為：

3　散熱結構優(yōu)化設計

3.1確定最優(yōu)方案

圖5表示了各因素水平對芯片溫度的影響，對于主要因素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系圖

3.2基于Flow Simulation的驗證

對得到的最優(yōu)設計方案，利用FlowSimulation軟件進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)化前后溫度對比圖

結果顯示散熱器質量為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；根據相關公式［11］經過計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，整個散熱器及內部溫度分布均勻，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)化后燈具熱傳導性能和對流傳熱性能都有所提高。

4　結束語

針對目前大功率LED燈散熱器的問題，本研究針對一款大功率LED燈散熱器進行了熱分析和熱優(yōu)化設計，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LED燈具進行熱仿真分析，結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芯片溫度影響相對較小。

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

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

［2］ 劉雁潮，付桂翠，高成，等.照明用大功率LED散熱研究［J］.電子器件，2008，31（6）：1716-1719.

［3］ 劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式大功率LED路燈散熱的結構設計［J］.電子器件，2010，33（4）：481-484.

［4］ 游志.大功率LED散熱鰭片擴散熱阻研究［J］.電子工業(yè)專用設備，2010，（188）：37-56.

［5］ 張師帥.計算流體力動力學［M］.武漢：華中師范大學出版社，2011：10-12.

［6］ 陶文銓.數值傳熱學［M］.第2版.西安：西安交通大學出版社，2009：1-6.

［7］ 徐仲安，王天保，李常英，等.正交試驗設計法簡介［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2002，10：148-150

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丁彩紅（1973-），女，漢族，浙江舟山人，東華大學機械工程學院教師，副教授，碩士生導師。主要研究方向為機械結構設計和故障診斷技術等；

張?zhí)煊睿?989-），男，漢族，江蘇南通人，東華大學碩士研究生，主要研究方向為LED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