目前大功率的LED光源又分为两品种型， 一种是阵列分布式大功率LED 光源， 它是将数个LED进行阵列分布安排， 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。这两品种型的LED 灯具因LED 芯片安排方式不同， 在配光曲线、占用空间以及散热上面有所不同。绝对来说， 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 光源比拟也可以到达路灯照明的要求， 是以后的路灯发展趋势。然而由于散热比拟阵列式要难， 因此寿命缩短， 成为妨碍集成式大功率LED光源发展的症结困难。

　　发光二极度管LED( L ight Em itting D iode) 路灯， 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。它具备耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的长处。LED 发光时会有局部能量转化为热量， 因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作机能影响极大， 高温会导致芯片出射的光子减少， 色温质量降落， 加快芯片老化， 缩短器件寿命等重大的成果。因此为保障LED畸形工作， 必需将其披发出来的热量及时的披发出去。目前大功率LED 芯片运用的越来越多， 据材料显示大功率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 ， 因而散热问题更为严格。 

图2 集成式大功率LED光源

　　本文主要是应用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灯具的应用温度要求在75  以下， 因此本次优化的目标是在力求在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下降。

　　1 热量传递实践与热分析

　　1. 1 热量传递基础实践

　　热量传递重要有三种方式: 热传导、热对流跟热辐射路灯。在LED路灯的散热体系里， 三种热量传递方法均有， 然而以热传导跟热对流为主。热传导性强弱依附于产品资料， 已有良多文章就此进行了研讨， 而且经研讨表明指出解决LED 散热问题的要害不是寻找高热导率的材料而是转变LED 的散热结构或者散热方法， 因而本文重要斟酌因散热器结构的不同而导致的散热后果差异。

　　对流换热的基础盘算公式是牛顿冷却公式， 把温差记为△t， 并商定永远为正值， 则牛顿冷却公式为:

图3 初选散热器模型。

　　对与空气中接触的散热器表面面均设为天然对流LED灯具， 对流系数为7. 5W / ( m2· K )， 环境温度设为40℃， 这样就能够保障个别的情况下LED 路灯的工作温度在75℃  以下。因为灯罩的密封作用， 模型其余名义均定义为绝热。光源的体积是60 mm× 60mm ×8mm。LED 路灯功率为50W， 其中15%转化为光能， 85% 转化为热能， 所以将( 1. 47 ×106 )W m- 3的生热率载荷施加于芯片实体上。散热器资料采取ZL104铝合金， 导热率为147W /m  ， 密度为2 650 kg /m3。在惯例压力与名义毛糙度的情形下， 取铝铝之间接触热阻为4. 55 ×10-4m2· K /W 。

　　1. 3 优化设计

　　正交试验设计法存在实现试验要求所需的试验次数少、数据点散布平均、可用相应的极差分析办法等对试验结果进行分析等长处。

　　本文为了缩小模仿的运算范围， 分析散热器各结构尺寸变更对其温度场的影响情况， 所以设计正交试验对该参数化模型进行屡次热分析。把影响终极温度场分布的六个散热器结构参数作为因素LED灯具， 每个因素取5个程度(见表1)， 以散热器质量和芯片最高温度为试验指标， 选取正交表L25 ( 56 )。

　　综合斟酌LED灯芯的大小以及全部灯体的设计结构， 以及对散热器质量及体积的请求限度， 取翅片个数A 为( 5- 17)片， 翅片高度B 为( 20- 60) mm，翅片厚度C ( 1- 3. 8)mm， 基板厚度D ( 1- 3)mm， 基板长度E 与宽度F 均为( 150- 250)mm。详细五个程度取值如下表1所示。

表1 正交实验的参数表

　　1. 4 实验成果剖析

　　实验结果及分析如表2所示。

表2 试验结果数据。

　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， 要想增长对流换热量可以通过增加温差， 增加表面传热系数以及增添换热面积三种方式可以到达。对做作对流换热的LED路灯来说， 增添温差和表面传热系数的办法不便利采取， 因此本文主要是通过增长换热表面积。

　　采用翅片是一种有效的增加换热表面的方法。它可以使热流量沿着肋高度方向传导的同时向四周的环境以对流或对流加辐射的方法散发烧量。 散热面积越大LED路灯， 散热效果越好， 但是并不成简略的比例关联。

　　1. 2 散热器模型树立

　　本文初步设计采用平直翅片散热器如图3所示。它的结构参数包含翅片厚度， 高度， 长度以及基板长度， 宽度和厚度， 利用ANSYS软件对这六个参数进行分析， 进行散热器的结构设计。

　　从表2可以看出， 翅片数量对芯片结温的影响最大， 翅片高度次之， 以后顺次为基板长度、基板厚度、翅片厚度及基板宽度。即A > B > E > D > C > F。

　　翅片厚度对散热器质量影响最大， 翅片高度次之， 当前顺次为翅片的数量、基板长度、基板宽度、基板厚度。即C > B > A >太阳能路灯; E > F >太阳能路灯; D。

　　依据分析结果绘制各个因素不同水平对温度目的的影响图， 如图4示。

　　依据品质公式可知， 各个参数在其余参数不变的情形下， 参数取值与质量成果成正比关联， 取值越大， 品质越大， 所以不再绘制曲线图。

图4 六个因素不同水平对芯片最高温度的影响

　　由极差分析结果可以得悉不同的因素对两个目标的影响是不同的， 统一因素对于两个目标影响也不同。因此对于不同因素数值的选取应本着芯片最高温度坚持最低为主要目标， 散热器质量最小为次要目标的准则进行。例如翅片厚度对芯片最高温度影响排在了第六位， 对质量的影响却是最大的。因此可以抉择较小的翅片厚度， 在尽量不升高温度的同时， 使质量降低。

　　在25次的试验当中， 可以得悉第25 次时， 即A5B 5C 4D3E 2F 1时， 后果最好。此时温度为59. 61 ℃ ，散热器质量为1. 61 kg， 结果如图5示。优化当前的结果为A5B 5C1D 5E5F 1。教训证， 此种情况下温度能够降到58. 09 ℃ ， 散热器质量降到0. 98 kgLED路灯。结果如图6示。

　　可见通过正交分析达到了双目的优化设计的目标。

图5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散热结构下的稳态温度场。

图6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散热结构下的稳态温度场。

　　2 论断与瞻望

　　本文通过采用正交试验法和仿真模拟实验相联合对集成大功率光源LED路灯散热器进行了研究，用较少次数的仿实在验， 取得能根本上反应全面情况的试验材料， 并研究不同参数对LED 散热及质量的影响的水平， 进而得到一组优化的参数组合。这种优化方法对其他翅片情势同样实用， 对大功率集中式热源LED灯具的推广利用拥有重大的意思。