集成式大功率LED路灯散热器的结构设计

　　发光二极度管LED( L ight Em itting D iode) ， 作为新一代绿色环保型固体照明光源， 已经成为人们关注的焦点。它具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点。LED 发光时会有部分能量转化为热量， 因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作性能影响极大， 高温会导致芯片出射的光子减少， 色温质量下降， 加快芯片老化， 缩短器件寿命等严重的后果。因此为保证LED正常工作， 必须将其散发出来的热量及时的散发出去。目前大功率LED 芯片应用的越来越多， 据资料显示大功率LED 只能将约10% ~15%的输入功率转化为光能， 而将其余85% ~ 90%转化为热能 ， 因此散热问题更为严峻。

　　目前大功率的LED光源又分为两种类型， 一种是阵列分布式大功率LED 光源， 它是将数个LED进行阵列分布布置， 如图1 所示。另一种是集成式大功率LED 光源， 将数颗LED 集成封装在一起， 如图2所示。这两种类型的LED 灯具因LED 芯片布置方式不同， 在配光曲线、占用空间以及散热上面有所不同。相对来说， 集成式大功率LED 光源制成的灯具质量要轻， 在封装材料方面用料要少， 配光方面与阵列分布式大功率LED 光源相比也可以达到路灯照明的要求， 是以后的路灯发展趋势。但是因为散热相比阵列式要难， 因此寿命缩短， 成为阻碍集成式大功率LED光源发展的关键难题。

图1 阵列分布式大功率LED光源

图2 集成式大功率LED光源

　　本文主要是利用ANSYS有限元软件对集成大功率热源LED 路灯散热器进行结构优化设计。大功率LED灯具的使用温度要求在75 以下， 因此本次优化的目的是在力求在LED 芯片结温降到最低并小于75 的同时使散热器的质量有所降低。

　　1 热量传递理论与热分析

　　1. 1 热量传递基本理论

　　热量传递主要有三种方法: 热传导、热对流和热辐射。在LED路灯的散热系统里， 三种热量传递方式均有， 但是以热传导和热对流为主。热传导性强弱依赖于产品材料， 已有很多文章就此进行了研究， 而且经研究表明指出解决LED 散热问题的关键不是寻找高热导率的材料而是改变LED 的散热结构或者散热方式， 因此本文主要考虑因散热器结构的不同而导致的散热效果差别。

　　对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式， 把温差记为△t， 并约定永远为正值， 则牛顿冷却公式为:

　　式中h 表面传热系数， 单位W / (m2 K )。

　　A 换热面积， 单位m2。

　　由对流换热速率方程式( 1)可见， 要想增加对流换热量可以通过增加温差， 增加表面传热系数以及增加换热面积三种方法可以达到。对于自然对流换热的LED路灯来说， 增加温差和表面传热系数的方法不方便采用， 因此本文主要是通过增加换热表面积。