新型大功率LED工礦燈用散熱結構設計與優化分析

張江濱

摘?要：本文提出了一種新型的LED工礦燈散熱結構，并且增加小超，在縱向超載縱向超片上進行開槽，以此來改善散熱結構對流特性，進一步提升散熱性能，并且設計新型散熱結構的設計方案，優化得到新型散熱結構的性能，并對新型散熱結構的相關參數對散熱性能的影響進行分析，最后分析探討大功率LED工礦燈設計內容。

傳統的照明光源在應用過程會消耗很大的能量，并且發光效率低，所以隨著光電技術的發展，LED光源逐漸取代了傳統照明光源，在工作過程當中，LED光源會受到量子效率的制約，有一部分的能量向熱能進行轉化，只有15%到20%的能量會轉化為光能，比如LED結溫過高就會造成效能下降，光能下降，光譜紅移等不利情況發生，所以對于LED燈具進行熱管理是提高LED燈具性能的最有效方式。那么，科學合理地設計LED燈具散熱結構是關鍵之處。相關文獻，做出了LED筒燈三個結構的優化，研究以高度，長度，厚度作為參數，以低質量和幾何尺寸約束的條件之下做出了優化。除此之外，還有文獻以方向不同的兩個LED散熱結構進行對比分析，兩者的截面積相同，對在相同的環境下對兩者的自然對流冷卻效果進行研究。一些作者對散熱結構進行研究過程當中表明，散熱結構很難同時滿足較低的質量和良好散熱性能兩方面的要求，所以本文對某款大功率LED礦燈散熱結構做出深入的分析和探討。 通過優化新型散熱結構，滿足LED結溫的條件下，為保證質量較輕散熱結構，散熱性能良好，節約材料，提升材料利用率為目的做出了深入的探討。

1 大功率LED工礦燈設計現狀

現階段，市場上的大功率LED工礦燈在現階段大體可以分為兩類，分別是整體成型散熱結構和結合型散熱結構，大多數的LED工礦燈實際上的散熱設計過程當中仍然會存在一些問題，主要有以下幾點：第一，隨意的設定散熱翅片的面積，并不進行定量設定，而是靠感覺，這種情況是非常嚴重的一個錯誤，會直接影響到燈具散熱重量和效果。第二，不合理的布置散熱翅片，布置過程沒有以中心對稱為基準，那么就會對熱量傳遞的均衡行進行影響，還會影響到散熱底板以及鋁基板的固定效果，最終造成生產效率和散熱效果差等問題發生。第三，在熱傳導過程中忽略了對流散熱環節也是一個錯誤之處。廠家往往重視燈具的熱管，導熱硅脂等方面的內容，卻忽視了熱量散失仍然需要依靠燈具外表面。第四，對傳熱的均衡性進行了忽視。這一問題是普遍，深層次問題。翅片具有不均勻的溫度分布就會影響到其中一部分翅片應該具備的作用難以發揮。

2 新型散熱結構的設計方案

應用ANSYS lcepak仿真模擬傳統的LED工礦燈，其發熱熱源為5730型LED芯片，如圖1所示，在燈具底部集中了更多的熱量，LED的結溫溫度達到了79.06%，會造成散熱效果差。

本文通過結合小肋片進行直肋式翅片代替，應用開裂式翅片，并且改進原來的散熱結構。構建新型散熱結構參數化模型，并且設置相關變量，如翅片數目，高度，開縫數目，間距等參數，以這些變量為基礎來進行后續工作設計。

3 分析仿真結果，優化散熱結構

通過相關軟件模塊進行結構參數的正交實驗，并且通過CenterComposite design類型做出相應散點圖。

散熱性能受到結構參數影響分析如下：本文分析了結溫溫度受到翅片數目，高度，開縫數目，間距等參數影響，從而判斷這些結構參數對結構散熱性能影響。以下是結溫溫度的各參數響應曲面圖，見圖3。進行翅片的開縫處理能夠改善散熱性能，提升散熱能力同時對流換熱系數在這個過程發揮了主要的作用。不過，開縫間距會隨著開縫數目的增加而變近，造成亂流現象發生，會影響到氣流流動。散熱性能受到開縫距離提升的影響是有限的，過大的開縫反而會要接你對流換熱系數作用發揮有限，不能夠彌補散熱面積所降低的量。翅片長度增加在本文所用的新型結構當中反而不利于散熱，這和散熱結構縱向長度相關，由于長度一定，翅片長度又受到開縫數目和間距的影響，這就會造成翅片長度和開縫間距對結溫溫度影響成負相關。提升翅片數目能夠對結溫溫度進行降低，增加散熱，提高對流能力。對小翅片長度進行增加，能夠降低結溫溫度，效果顯著，這主要是由于增加小翅片長度后增加了換熱面積，并且散熱結構的流體性能沒有改變。但結溫溫度受到小翅片高度的影響并不大。

通過優化以后，優化后效果明顯優于傳統散熱結構。優化后的散熱結構LED芯片最高結溫溫度相比于傳統散熱結構降低了13.01℃，質量輕了約62.61%，具有明顯的效果。

4 大功率LED工礦燈設計內容

第一，外觀設計，一些設計師在進行LED工礦燈設計時并不是很關注外觀設計問題，到燈具的外觀結構在近些年來隨著社會發展受到了人們的廣泛關注，也就是藝術化。在設計燈具外觀結構過程，設計師需要考慮環境等因素。比如，飛利浦作為全球的電器巨頭就達到了最高的燈具設計境界，應用只見光不見燈的理念，所以，這也是我們需要發展的方向，雖不可一步到位，但仍需努力。

第二，散熱結構設計。燈具的散熱結構設計過程是重要的內容，決定了燈具的壽命，主要內容包括燈具的散熱器設計，還包括整個散熱通道的設計，所以這也關系到了零部件的裝配工藝和成型工藝。我們將熱阻公式引入其中，從而為更好設計出散熱通道做出努力。對于熱量傳導來說，熱阻是阻礙其發展的程度。熱阻和電阻串聯具有一樣的性質，在設計過程中仍然需要遵循相關設計原則。散熱器設計是散熱結構設計的核心，需要先選擇散熱器材料，具備更大的熱傳導系數，這個過程也需要考慮到機械的價格，性能和工藝。這個過程需要采用具備更好導熱性能的6063AL，并且采取成型和擠壓工藝。而一些散熱器的空間結構比較復雜，那么就需要采用壓鑄成型工藝或者是鍛壓成型，不能夠在采用擠壓成型，但鍛壓成型工藝會受到多方面因素的限制，具有較高成本，雖雖然壓鑄成型生產效率高，但由于其應用鋁合金ADC12，所具備的散熱效果是比較差的，因此在設計散熱器過程需要靈活進行。

第三，工藝結構設計。除了需要設計散熱器本身結構以外還需要在設計燈具工藝結構過程使得其結構符合成型工藝要求，要對燈具的裝配工藝做出充分的考慮。很多設計師都會對散熱器成型工藝做出充分的考慮，也會在設計散熱器結構過程，根據具體工藝要求進行設計，但需要充分考慮多方面的因素進行裝配工藝設計，如果裝配不好，那么就會對整個燈具的壽命產生嚴重影響，也會造成設計要求無法達到，因此，良好裝配工藝結構對散熱具有更加有利影響，并且對燈具壽命和生產效率的提高都具有重要影響。

對于電路設計過程來說，本文所包含內容不包括設計驅動電源，因為該過程對于LED燈具壽命來說是短板所在，并且需要具備很強的專業性，現階段，一般需要外購LED燈具的驅動電源。對于LED工礦燈來說，電路設計主要指的是設計LED光源線路板，由于需要較多的光源數量，那么就會采取并聯或者是串聯的方式進行LED光源布置，除了需要考慮散熱設計，安全設計等方面的問題之外，還需要保護光源，在單顆光源失效以后做好充足準備，確保其他的光源能夠不會受到影響，得以進行正常工作。

5 結語

相比于傳統的高壓鈉燈，大功率LED工礦燈能夠起到綜合節能60%以上的效果，并且色彩豐富，安全可靠，在倉庫，車間，工廠收費站等很多地方都具有廣泛的應用。LED工礦燈隨著逐步提高的LED發光效率具有更加廣泛的應用。LED燈具在現今倡導低碳，節能環保的時代受到了人們的廣泛青睞，并且為人們的生產生活增添了更多的光彩。

參考文獻：

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