【導(dǎo)讀】率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)雖有多家企業(yè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)LED城。題解決了，所用LED數(shù)量要很多，實(shí)用性增強(qiáng)。城市照明LED路燈采用大功率LED是。文章以某公司LED路燈為模型，采用EFDpro元軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建。度場(chǎng)的影響情況。由最終的結(jié)果可知，采用一體化壓鑄散熱器,并在合適的范圍內(nèi)。片的最高溫度，又有效地減小了散熱器的質(zhì)量。文章LED路燈算例得到優(yōu)化的質(zhì)量為原質(zhì)量的33．40％。

　　

【正文】 ○ 1 現(xiàn)有燈具罩。最低成本方法是將現(xiàn)有設(shè)計(jì)的燈具罩作為 LED 照明的燈具罩，新照明設(shè)計(jì)不能采用這種方法，因多數(shù)現(xiàn)有罩都是銅制的，熱導(dǎo)性差。一般來(lái)說(shuō)，選擇鋼罩不利于散 熱。 ○ 2 定制散熱片。定制方案可為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片，在設(shè)計(jì)中需要利用熱仿真軟件，或根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用及 LED 的特性進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。 (3)電氣系統(tǒng) 26 新型太陽(yáng)能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 定制設(shè)計(jì) LED 驅(qū)動(dòng)器。隨者 LED 照明的逐漸普及，更多的 LED 驅(qū)動(dòng)器針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣效率更高，并且能獲得管理部門(mén)的完全認(rèn)可，但會(huì)延長(zhǎng) LED 燈具的開(kāi)發(fā)時(shí)間。在目前的大功率 LED 環(huán)境下，總照明效率的提高受 LED 本身的影響比受驅(qū)動(dòng)器的影響要大。 路照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 1．燈具結(jié)構(gòu)： ：我們的 LED 路燈由鋁合金壓鑄燈體， LED 模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC 恒流驅(qū)動(dòng)器，電器室蓋板五部分組成。見(jiàn)圖 。 圖 一體化壓鑄鋁制散熱器背面圖 圖 散熱器正面圖 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 圖 燈板 圖 路燈緊固件 圖 燈罩 圖 控制器蓋板 ：散熱燈體，光源室，電器室三部分組成 ,見(jiàn)圖 。 圖 燈具整體圖 28 新型太陽(yáng)能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 熱分析的相關(guān)材料與參數(shù) 本文的分析原型為某公司的路燈 (見(jiàn)圖 )，所用到的主要參數(shù)見(jiàn)表 。 圖 某公司的路燈 圖 52 原 LED實(shí)體模型 在實(shí)際情況中熱量沿以下路徑傳遞【 5％芯片一導(dǎo)電膠一 PCB 板一導(dǎo)熱膠 散熱器。本文主要研究該 LED 的散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，故建模時(shí)假設(shè) PCB 板是各向同性的，并忽略導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，且由于該燈對(duì)稱，取 1／ 2 建模，模型如圖 。對(duì)與空氣中接觸的散熱器外表面均設(shè)為自然對(duì)流 f6】，對(duì)流系數(shù)為 10W(m2 K)一，由于燈罩的密封作用，模型其他表面均定義為絕熱。每個(gè)芯片的輸入功率 lW，其中 15％轉(zhuǎn)化為光能， 85％轉(zhuǎn)化為熱能，所以將 (3． 7 109)W m 寸的生熱率載荷 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 施加于芯片實(shí)體上，環(huán)境溫度均假設(shè)為 25℃，定義各種材料屬性。對(duì)模型網(wǎng)格劃分后進(jìn)行有限元計(jì)算，得出模型的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，由結(jié)果可知模型最高溫度為43． 84℃，出現(xiàn)在原模型中心兩列從底部數(shù)第三個(gè)芯片上，由于該芯片處在中心兩列，且底側(cè)為散熱器的固定結(jié)構(gòu)，而無(wú)散熱翅片，故溫度較高。 表 LED封裝中材料熱性能參數(shù) 表 原型鋁制散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸 表 LED中元件材料熱性能參數(shù) 30 新型太陽(yáng)能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 表 注： W 為該因素水平對(duì)應(yīng)的散熱器質(zhì)量的平均值； r為該因素水平對(duì)應(yīng)的芯片最高溫度的平均值，極差等于各試驗(yàn)指標(biāo)平均值中的最大值減最小值。 表 表 由表 ～表 和圖 ：隨著翅片厚度 的增加，散熱器質(zhì)量增加，芯片最高溫度增加，隨翅片間距增加，散熱器質(zhì)量減小，芯片最高溫度增 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 加隨翅片高度增加，散熱器質(zhì)量增加，芯片最高溫度減??；隨平板厚度增加，散熱器質(zhì)量增加，芯片最高溫度減小。 表 平板厚度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表 圖 53翅片厚度 試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線 32 新型太陽(yáng)能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 翅片間距 試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線 在模擬的范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)表 一表 中各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差進(jìn)行排隊(duì)，可得到散熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器質(zhì)量 及芯片最高溫度影響大小的情況。對(duì)散熱器質(zhì)量的影響由大到小的因素依次為：翅片厚度、平板厚度、翅片高度、翅片間距。對(duì)芯片最高溫度的影響由大到小的因素依次為：翅片間距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。綜上所述，在設(shè)計(jì)翅片式大功率 LED 散熱結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)在合適的范圍內(nèi)使翅片的厚度和間距盡可能小一些，這樣可以同時(shí)有效地減小散熱器的質(zhì)量，控制芯片的最高溫度。 圖 試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 圖 試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通 過(guò)對(duì)以上熱分析材料與參數(shù)的參考，要有效的散熱，減小燈的體積和生產(chǎn)成本，燈體必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)。問(wèn)題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到外殼上，怎樣有效的增大外殼和空氣的接觸面，并且有利于空氣在外殼表面上的流動(dòng)，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題。 加散熱板與燈具防護(hù)設(shè)計(jì)： 用鋁合金型材組合的路燈，我們將一塊 AA6063； 305mm 500mm 的平板散熱器型材和不銹鋼外框組合，將 LED 焊接在鋁基板上制作成模塊，在模塊的底部涂抹導(dǎo)熱膏用螺絲固定于鋁合金型材散熱器平板上，罩上 PC 光源外罩 ，連接驅(qū)動(dòng)電源，完成 LED 路燈的設(shè)計(jì)制作。該款路燈的熱傳導(dǎo)和散熱效果均佳，能將LED 所產(chǎn)生的熱量迅速的傳導(dǎo)到散熱器上，再由裸露在空氣中的散熱鰭片散發(fā)到空氣中，由流動(dòng)的空氣帶走熱量，但是由于整個(gè)燈具是由多個(gè)部分連接組合而成，產(chǎn)品一致性差，在防滲水安全上僅靠防水膠是極不可靠的，所以在防護(hù)等級(jí)上達(dá)不到（ 。）的要求。更主要的是所有的 LED 均安裝在一個(gè)平板上，無(wú)法對(duì)燈具進(jìn)行合理的配光，在實(shí)際使用中該款路燈的照明半徑無(wú)法滿足路燈的照明范圍，而且外觀呆板，故本方案 不成熟不宜采用。 34 新型太陽(yáng)能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) LED 路燈存在的問(wèn)題： 利用傳統(tǒng)路燈燈頭改制的 LED 路燈，雖然采用了鋁型材做散熱器，將整個(gè)光源和驅(qū)動(dòng)電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護(hù)等級(jí)問(wèn)題，但是整個(gè)光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生的熱量無(wú)法散發(fā)到空氣中帶走，導(dǎo)致 LED 模塊和驅(qū)動(dòng)電路在極惡劣的環(huán)境中工作，工作溫度急劇升高， LED 隨著溫度的升高而出現(xiàn)死燈和光衰，驅(qū)動(dòng)器也因溫度超過(guò)而燒毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命。故此方案是不成熟的。要做好 LED 路燈簡(jiǎn)單的用傳統(tǒng)燈頭裝入 LED 光源是行不通的 。 ： 為了做好 LED 路燈，首先我們對(duì)散熱材料進(jìn)行選擇，目前散熱器所采用的基本為金屬材料，這主要出于三方面的考慮： ①熱性能好 —— 相對(duì)其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力； ②易于加工 —— 延展性好，高溫相對(duì)穩(wěn)定，可采用各種加工工藝； ③易獲取 —— 雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價(jià)格也相對(duì)低廉；依此確定了散熱片所用材料類(lèi)型，具體種類(lèi)的確定同樣需以此為標(biāo)準(zhǔn)。表 上表中熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位 為 W/mK，即截面積為 1 平方米的柱體沿軸向 1 米距離的溫差為 1 開(kāi)爾文（ 1K＝ 1℃）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過(guò)大、及價(jià)格過(guò)于昂貴而無(wú)法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過(guò) 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 低，無(wú)法滿足高熱密度場(chǎng)合的性能需要，不適合用于制作高性能散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞；但由于純 鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過(guò)調(diào)整配方材料的 成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。上表中列出的 5 種不同鋁合金中： AA6061 與 AA6063 具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。 ADC12 適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù) 較低，因此散熱片加工中通常采用 AA1070 鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及 ADC12。 AA1050 則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。通過(guò)以上分析我們確定了采 AA1O7O 選擇一次性壓鑄成型來(lái)實(shí)現(xiàn)燈體的制作。 采用一體化鋁合金壓鑄 LED 路燈設(shè)計(jì)思路： ①、散熱燈殼設(shè)計(jì)： 根據(jù)道路照明燈具的功能需要及燈具的防護(hù)安全等級(jí)的規(guī)定，我們將整個(gè)燈具分成三部分來(lái)設(shè)計(jì)，整體散熱外殼 , 光源室，電器室，選擇 AA1070 鋁合金壓鑄一次性成型 ,如圖 8所示 .散熱片的散熱效果主要取 決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底和散熱片的設(shè)計(jì)。性能優(yōu)秀的散熱器，其性能吸熱快：即吸熱底與LED 模塊間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。為了達(dá)到這種效果，就要求吸熱底與 LED 模塊結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與 LED 模塊直接接觸，最好能夠不留任何空隙。散熱器的整體熱阻就是由與 LED 模塊的接觸面開(kāi)始逐層累計(jì)而來(lái)，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力，我們?cè)谠O(shè)計(jì)燈具時(shí)首先滿足吸熱底有足夠的厚度，同時(shí)考慮 LED 模 塊的安裝孔位進(jìn)行加筋，也加強(qiáng)了燈具的整體性和機(jī)械強(qiáng)度。熱阻?。簽榱颂嵘鼰崮芰ΓＭ崞c LED 模塊緊密結(jié)合，不留任何空隙，壓鑄出來(lái)的表面這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。吸熱底與 LED 模塊之間必然存在一定的空隙，如果空隙中是高熱阻的空氣，就無(wú)法得36 新型太陽(yáng)能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 到良好的導(dǎo)熱效果，因此，應(yīng)采用具有較低熱阻及較佳適應(yīng)性的材料填充其中的空隙，這便是導(dǎo)熱膏的用武之地。但導(dǎo)熱膏的熱阻始終要高于加工散熱片的金屬材料，使用它只是權(quán)宜之計(jì)，并非真正的解決之道，要想根本上提高散熱片吸熱底的吸熱能力，就必須提高其底面平整度。平整度是通過(guò)表面最大落差高度 來(lái)衡量的，通常散熱片的底部稍經(jīng)處理即可達(dá)到 以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達(dá)到 ，散熱片的吸熱底越平整熱阻越小，越有利于熱量吸收，但由于無(wú)法做到完美，涂抹導(dǎo)熱膏成為了 LED 模塊安裝到散熱器的必須步驟，從而達(dá)到吸熱的最佳效果。去熱快，由于我們將 LED 模塊的吸熱底和散熱鰭片壓鑄成一體，即能夠?qū)?LED 組吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，整個(gè)燈體和散熱鰭片上部是裸露于空中的，而且我們的鰭片的方向是平行于道路，需要散發(fā)的熱氣與氣流方向一致，不會(huì)因氣流而形成渦流而造成熱氣的滯留，進(jìn)而由流動(dòng)的 氣流順利帶走而散發(fā)，以最快是速度將熱量散發(fā)。 圖 一體化散熱器 由于我們?cè)跓趔w的設(shè)計(jì)上對(duì)整個(gè)燈體的上部無(wú)任何開(kāi)口，整體的加工為鋁合金一次性壓鑄成型，在整體的上部不存在滲水和防塵的煩惱，僅對(duì)燈體向下方向的光源室和電器室進(jìn)行防護(hù)即可，這樣防護(hù)問(wèn)題就簡(jiǎn)單了，只需采用硅橡膠條進(jìn)行防水防塵，就能達(dá)到 IP65 的防護(hù)等級(jí)。通過(guò)以上的研究我們開(kāi)發(fā)的一體化 LED路燈散熱燈頭，具有吸熱快，熱阻小，散熱順暢，防護(hù)等級(jí)高，機(jī)械強(qiáng)度好 的優(yōu)點(diǎn)。能將 LED 模塊結(jié)溫控制 在攝氏 60 度以下，這在 LED 應(yīng)用照明上具有突破性意義，將 LED 照明從可能變?yōu)榭梢浴? ②．光源室配光設(shè)計(jì)： LED 光源之所以適合用于局部照明，是由于 LED 模塊在生產(chǎn)時(shí)就可以制作成各種發(fā)光角度和各種功率的產(chǎn)品，利用特定發(fā)光角的光源做局部照明可以使光源發(fā)出的光得到更有效的利用，和傳統(tǒng)的不便控制發(fā)光角度的光源相比，可以用比較 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 37 小的功率達(dá)到同等要求的照明效果，因而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。路燈主要是為了照亮路面，因而屬于局部照明。對(duì)路燈產(chǎn)品來(lái)講，與車(chē)燈、電筒等產(chǎn)品的光照要求不同，光束要求有一定的范圍，市場(chǎng)現(xiàn)有的產(chǎn)品一般采用透 鏡來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，不同特性的 LED 管配用不同曲光度的透鏡，互換性不好。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們的產(chǎn)品獨(dú)辟蹊徑，光源室采用內(nèi)置導(dǎo)光多角度平面合理組合的方法解決，成本低，可適用于不同 LED 管（不同 LED 管，發(fā)射角不同，只要選擇不同的導(dǎo)光面的安裝LED 模塊即可以改變出光的角度）。另