目前大功率的LED光源又分為兩品種型， 一種是陣列分布式大功率LED 光源， 它是將數個LED進行陣列分布安排， 如圖1 所示。另一種是集成式大功率LED 光源， 將數顆LED 集成封裝在一起， 如圖2所示。這兩品種型的LED 燈具因LED 芯片安排方式不同， 在配光曲線、占用空間以及散熱上面有所不同。絕對來說， 集成式大功率LED 光源制成的燈具質量要輕， 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 光源比擬也可以到達路燈照明的要求， 是以后的路燈發展趨勢。然而由于散熱比擬陣列式要難， 因此壽命縮短， 成為妨礙集成式大功率LED光源發展的癥結困難。

　　發光二極度管LED( L ight Em itting D iode) 路燈， 作為新一代綠色環保型固體照明光源， 已經成為人們關注的焦點。它具備耗電量少、光色純、全固態、質量輕、體積小、環保等一系列的長處。LED 發光時會有局部能量轉化為熱量， 因此會使LED芯片溫度升高。而溫度對LED芯片的工作機能影響極大， 高溫會導致芯片出射的光子減少， 色溫質量降落， 加快芯片老化， 縮短器件壽命等重大的成果。因此為保障LED畸形工作， 必需將其披發出來的熱量及時的披發出去。目前大功率LED 芯片運用的越來越多， 據材料顯示大功率LED 只能將約10% ~15%的輸入功率轉化為光能， 而將其余85% ~ 90%轉化為熱能 ， 因而散熱問題更為嚴格。 

圖2 集成式大功率LED光源

　　本文主要是應用ANSYS有限元軟件對集成大功率熱源LED 路燈散熱器進行結構優化設計。大功率LED燈具的應用溫度要求在75  以下， 因此本次優化的目標是在力求在LED 芯片結溫降到最低并小于75  的同時使散熱器的質量有所下降。

　　1 熱量傳遞實踐與熱分析

　　1. 1 熱量傳遞基礎實踐

　　熱量傳遞重要有三種方式: 熱傳導、熱對流跟熱輻射路燈。在LED路燈的散熱體系里， 三種熱量傳遞方法均有， 然而以熱傳導跟熱對流為主。熱傳導性強弱依附于產品資料， 已有良多文章就此進行了研討， 而且經研討表明指出解決LED 散熱問題的要害不是尋找高熱導率的材料而是轉變LED 的散熱結構或者散熱方法， 因而本文重要斟酌因散熱器結構的不同而導致的散熱后果差異。

　　對流換熱的基礎盤算公式是牛頓冷卻公式， 把溫差記為△t， 并商定永遠為正值， 則牛頓冷卻公式為:

圖3 初選散熱器模型。

　　對與空氣中接觸的散熱器表面面均設為天然對流LED燈具， 對流系數為7. 5W / ( m2· K )， 環境溫度設為40℃， 這樣就能夠保障個別的情況下LED 路燈的工作溫度在75℃  以下。因為燈罩的密封作用， 模型其余名義均定義為絕熱。光源的體積是60 mm× 60mm ×8mm。LED 路燈功率為50W， 其中15%轉化為光能， 85% 轉化為熱能， 所以將( 1. 47 ×106 )W m- 3的生熱率載荷施加于芯片實體上。散熱器資料采取ZL104鋁合金， 導熱率為147W /m  ， 密度為2 650 kg /m3。在慣例壓力與名義毛糙度的情形下， 取鋁鋁之間接觸熱阻為4. 55 ×10-4m2· K /W 。

　　1. 3 優化設計

　　正交試驗設計法存在實現試驗要求所需的試驗次數少、數據點散布平均、可用相應的極差分析辦法等對試驗結果進行分析等長處。

　　本文為了縮小模仿的運算范圍， 分析散熱器各結構尺寸變更對其溫度場的影響情況， 所以設計正交試驗對該參數化模型進行屢次熱分析。把影響終極溫度場分布的六個散熱器結構參數作為因素LED燈具， 每個因素取5個程度(見表1)， 以散熱器質量和芯片最高溫度為試驗指標， 選取正交表L25 ( 56 )。

　　綜合斟酌LED燈芯的大小以及全部燈體的設計結構， 以及對散熱器質量及體積的請求限度， 取翅片個數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。詳細五個程度取值如下表1所示。

表1 正交實驗的參數表

　　1. 4 實驗成果剖析

　　實驗結果及分析如表2所示。

表2 試驗結果數據。

　式中h 表面傳熱系數， 單位W / (m2 K )。

　　A 換熱面積， 單位m2。

　　由對流換熱速率方程式( 1)可見， 要想增長對流換熱量可以通過增加溫差， 增加表面傳熱系數以及增添換熱面積三種方式可以到達。對做作對流換熱的LED路燈來說， 增添溫差和表面傳熱系數的辦法不便利采取， 因此本文主要是通過增長換熱表面積。

　　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的同時向四周的環境以對流或對流加輻射的方法散發燒量。 散熱面積越大LED路燈， 散熱效果越好， 但是并不成簡略的比例關聯。

　　1. 2 散熱器模型樹立

　　本文初步設計采用平直翅片散熱器如圖3所示。它的結構參數包含翅片厚度， 高度， 長度以及基板長度， 寬度和厚度， 利用ANSYS軟件對這六個參數進行分析， 進行散熱器的結構設計。

　　從表2可以看出， 翅片數量對芯片結溫的影響最大， 翅片高度次之， 以后順次為基板長度、基板厚度、翅片厚度及基板寬度。即A > B > E > D > C > F。

　　翅片厚度對散熱器質量影響最大， 翅片高度次之， 當前順次為翅片的數量、基板長度、基板寬度、基板厚度。即C > B > A >太陽能路燈; E > F >太陽能路燈; D。

　　依據分析結果繪制各個因素不同水平對溫度目的的影響圖， 如圖4示。

　　依據品質公式可知， 各個參數在其余參數不變的情形下， 參數取值與質量成果成正比關聯， 取值越大， 品質越大， 所以不再繪制曲線圖。

圖4 六個因素不同水平對芯片最高溫度的影響

　　由極差分析結果可以得悉不同的因素對兩個目標的影響是不同的， 統一因素對于兩個目標影響也不同。因此對于不同因素數值的選取應本著芯片最高溫度堅持最低為主要目標， 散熱器質量最小為次要目標的準則進行。例如翅片厚度對芯片最高溫度影響排在了第六位， 對質量的影響卻是最大的。因此可以抉擇較小的翅片厚度， 在盡量不升高溫度的同時， 使質量降低。

　　在25次的試驗當中， 可以得悉第25 次時， 即A5B 5C 4D3E 2F 1時， 后果最好。此時溫度為59. 61 ℃ ，散熱器質量為1. 61 kg， 結果如圖5示。優化當前的結果為A5B 5C1D 5E5F 1。教訓證， 此種情況下溫度能夠降到58. 09 ℃ ， 散熱器質量降到0. 98 kgLED路燈。結果如圖6示。

　　可見通過正交分析達到了雙目的優化設計的目標。

圖5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散熱結構下的穩態溫度場。

圖6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散熱結構下的穩態溫度場。

　　2 論斷與瞻望

　　本文通過采用正交試驗法和仿真模擬實驗相聯合對集成大功率光源LED路燈散熱器進行了研究，用較少次數的仿實在驗， 取得能根本上反應全面情況的試驗材料， 并研究不同參數對LED 散熱及質量的影響的水平， 進而得到一組優化的參數組合。這種優化方法對其他翅片情勢同樣實用， 對大功率集中式熱源LED燈具的推廣利用擁有重大的意思。