劉 紅，趙 芹，蔣蘭芳，阮靈偉

1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，杭州 310014；

2.浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院，杭州 310024

發(fā)光二極度管LED(Light Emitting Diode)，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)。它具有耗電量少、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、環(huán)保等一系列的優(yōu)點(diǎn)[1]。 LED發(fā)光時(shí)會(huì)有部分能量轉(zhuǎn)化為熱量，因此會(huì)使LED芯片溫度升高。而溫度對(duì)LED芯片的工作性能影響極大，高溫會(huì)導(dǎo)致芯片出射的光子減少，色溫質(zhì)量下降，加快芯片老化，縮短器件壽命等嚴(yán)重的后果[2-3]。因此為保證LED正常工作，必須將其散發(fā)出來的熱量及時(shí)的散發(fā)出去。目前大功率LED芯片應(yīng)用的越來越多， 據(jù)資料顯示大功率 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[4]，因此散熱問題更為嚴(yán)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(shù)個(gè)LED進(jìn)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(shù)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(duì)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光源相比也可以達(dá)到路燈照明的要求，是以后的路燈發(fā)展趨勢(shì)。但是因?yàn)樯嵯啾汝嚵惺揭y，因此壽命縮短，成為阻礙集成式大功率LED光源發(fā)展的關(guān)鍵難題。

本文主要是利用ANSYS有限元軟件對(duì)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燈具的使用溫度要求在75 ℃以下，因此本次優(yōu)化的目的是在力求在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)量有所降低。

圖1 陣列分布式大功率LED光源

圖2 集成式大功率LED光源

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(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。在LED路燈的散熱系統(tǒng)里，三種熱量傳遞方式均有，但是以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主。熱傳導(dǎo)性強(qiáng)弱依賴于產(chǎn)品材料， 已有很多文章就此進(jìn)行了研究[5-6]，而且經(jīng)研究表明指出解決LED散熱問題的關(guān)鍵不是尋找高熱導(dǎo)率的材料而是改變LED的散熱結(jié)構(gòu)或者散熱方式[7]，因此本文主要考慮因散熱器結(jié)構(gòu)的不同而導(dǎo)致的散熱效果差別。

對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式是牛頓冷卻公式，把溫差記為Δt，并約定永遠(yuǎn)為正值，則牛頓冷卻公式為[8]：

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(duì)流換熱速率方程式(1)可見，要想增加對(duì)流換熱量可以通過增加溫差，增加表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及增加換熱面積三種方法可以達(dá)到。對(duì)于自然對(duì)流換熱的LED路燈來說，增加溫差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(dǎo)的同時(shí)向周圍的環(huán)境以對(duì)流或?qū)α骷虞椛涞姆椒ㄉl(fā)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(guān)系[9]。

1.2 散熱器模型建立

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(duì)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)。

圖3 初選散熱器模型

對(duì)與空氣中接觸的散熱器外表面均設(shè)為自然對(duì)流，對(duì)流系數(shù)為7.5W/(m2?K)，環(huán)境溫度設(shè)為40℃[10]，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×60 mm×8 mm。LED路燈功率為50 W，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。散熱器材料采用ZL104鋁合金[11]，導(dǎo)熱率為147 W/m?℃，密度為2 650 kg/m3。在常規(guī)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[8]。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法具有完成試驗(yàn)要求所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻、可用相應(yīng)的極差分析方法等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析等優(yōu)點(diǎn)[12]。

本文為了縮小模擬的運(yùn)算規(guī)模，分析散熱器各結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況，所以設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)該參數(shù)化模型進(jìn)行多次熱分析。把影響最終溫度場(chǎng)分布的六個(gè)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)作為因素，每個(gè)因素取5個(gè)水平(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)。

綜合考慮LED燈芯的大小以及整個(gè)燈體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以及對(duì)散熱器質(zhì)量及體積的要求限制，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。具體五個(gè)水平取值如下表1所示。

表1 正交試驗(yàn)的參數(shù)表

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

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)

從表2可以看出，翅片數(shù)目對(duì)芯片結(jié)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(duì)散熱器質(zhì)量影響最大，翅片高度次之，以后依次為翅片的數(shù)目、基板長度、基板寬度、基板厚度。即C＞B＞A＞E＞F＞D。

根據(jù)分析結(jié)果繪制各個(gè)因素不同水平對(duì)溫度目標(biāo)的影響圖，如圖4示。

根據(jù)質(zhì)量公式可知，各個(gè)參數(shù)在其他參數(shù)不變的情況下，參數(shù)取值與質(zhì)量結(jié)果成正比關(guān)系，取值越大，質(zhì)量越大，所以不再繪制曲線圖。

圖4 六個(gè)因素不同水平對(duì)芯片最高溫度的影響

由極差分析結(jié)果可以得知不同的因素對(duì)兩個(gè)目標(biāo)的影響是不同的，同一因素對(duì)于兩個(gè)目標(biāo)影響也不同。因此對(duì)于不同因素?cái)?shù)值的選取應(yīng)本著芯片最高溫度保持最低為主要目標(biāo)，散熱器質(zhì)量最小為次要目標(biāo)的原則進(jìn)行。例如翅片厚度對(duì)芯片最高溫度影響排在了第六位，對(duì)質(zhì)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(shí)，使質(zhì)量降低。

在25次的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，可以得知第25 次時(shí)，即A5B5C4D3E2F1時(shí)，效果最好。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)化以后的結(jié)果為A5B5C1D5E5F1。經(jīng)驗(yàn)證，此種情況下溫度可以降到58.09 ℃，散熱器質(zhì)量降到0.98 kg。結(jié)果如圖6示。可見通過正交分析達(dá)到了雙目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖5 A5B 5C4D 3E2F 1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

圖6 A5B 5C1D 5E5F 1散熱結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

2 結(jié)論與展望

本文通過采用正交試驗(yàn)法和仿真模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)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)的仿真實(shí)驗(yàn)，獲得能基本上反映全面情況的試驗(yàn)資料，并研究不同參數(shù)對(duì)LED散熱及質(zhì)量的影響的程度，進(jìn)而得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合。這種優(yōu)化方法對(duì)其他翅片形式同樣適用，對(duì)大功率集中式熱源LED燈具的推廣應(yīng)用具有重大的意義。

[ 1] Barbara G A.David JB， et al.Assessing Consumer Values and Supply[ Z] .Chain Relationships for Solid-State Lighting Technologies， 2004.

[ 2] 齊昆，陳旭.大功率LED封裝界面材料的熱分析[ J] .電子與封裝， 2007， 7(6)：8-13.

[ 3] James Petroski.Thermal Challenges Facing New Generation Light Emitting Diodes(LEDs)for Lighting Applications.Proceedings of SPIE， 2002， 4776， 215-222.

[ 4] 王耀明，王德苗，蘇達(dá).大功率LED的散熱封裝[ J] .江南大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 8(1)：58-61.

[ 5] 劉一兵， 黃新民， 劉國華.基于功率型LED散熱技術(shù)的研究[ J] .照明工程學(xué)報(bào)， 2008， 19(1)：68-73.

[ 6] 張淑芳， 方亮， 付光宗， 等.導(dǎo)熱涂層對(duì)LED散熱性能的影響[ J] .半導(dǎo)體光電， 2007， 28(6)：793-796.

[ 7] 王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問題[ J].電子設(shè)計(jì)工程， 2009， 17(4)：123-125.

[ 8] 陶文銓.傳熱學(xué)[M] .西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2006， 6.

[ 9] 錢可元，鄭代順，羅毅.GaN基功率型LED芯片散熱性能測(cè)試與分析[ J] .半導(dǎo)體光電， 2006， 27(3)：236-239.

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

[ 11] 林鋼，林慧國， 趙玉濤.鋁合金手冊(cè)[ M] .機(jī)械工業(yè)出版社，2006， 537.

[ 12] 張成敬，王春青.一種高功率白光L ED燈具的封裝熱設(shè)計(jì)研究[ J] .電子工藝技術(shù)， 2007， 28(5)：257-260.