王忠鋒,黃偉玲,白金強(qiáng)

(1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；2.廣州雄義精密五金有限公司，廣東 廣州 510000)

引言

發(fā)光二極管(LED)具有不含汞、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到顯示、照明領(lǐng)域中，但大功率LED目前只能將約15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而其余85%轉(zhuǎn)化成了熱能[1-3]。芯片的熱量若不能散出去， LED的壽命將縮短，所以散熱問題是影響大功率 LED 發(fā)展的瓶頸之一。因此，對LED燈具的散熱裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改善散熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流暢，從而提高LED燈具的穩(wěn)定性和使用壽命，成為LED設(shè)計人員關(guān)心的課題。如何從散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面將不同的散熱技術(shù)整合優(yōu)化，達(dá)到一個相對最佳的狀態(tài)，從而滿足大功率 LED散熱的要求。

本文從大功率燈具的散熱器材料選擇、散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、散熱器表面處理工藝、有效散熱面積、對流條件等諸多因素進(jìn)行分析與散熱性能的關(guān)系，對各種不同的散熱技術(shù)進(jìn)行整合優(yōu)化。

1 改善對流環(huán)境對LED散熱的影響

常見的對流散熱方式有自然對流和強(qiáng)制對流兩種[4]。對于小功率LED進(jìn)行自然對流散熱即可，針對大功率LED，自然對流不能滿足要求，需要改善對流環(huán)境來進(jìn)行散熱。改善對流環(huán)境的措施很多，如通過改變散熱片形狀來破壞空氣層流狀態(tài)、加裝風(fēng)扇等。

為了說明改善對流環(huán)境對散熱的影響，下面用MR16燈具來進(jìn)行分析，MR16照明燈具配置三顆Cree XR-E光源，額定電壓9.6V，額定電流350mA。燈體選用6063T5材料，散熱方式為自然對流，燈座內(nèi)安裝恒流驅(qū)動源，為了減少驅(qū)動源發(fā)熱的影響，參考點(diǎn)取杯口上緣。樣品的鋁基板熱阻約1℃/W，在室溫26℃時的自然對流環(huán)境下，燈具的模型及測試點(diǎn)如圖1所示。

圖1 MR16燈具模型及測試點(diǎn)圖Fig.1 The model of MR16 lamp and its test points

燈具溫度測試結(jié)果如表1所示。這是未進(jìn)行任何比較時的初始值。

表1 MR16燈具外殼溫度測試值Table 1 The temperature test value for the MR16 lamp shell

在燈具法向(Z向)添加風(fēng)0.1m/s(類似于添加軸流風(fēng)扇)，對其進(jìn)行強(qiáng)制對流模擬，用FloEFD軟件進(jìn)行仿真，溫度分布如圖2所示的結(jié)果。從圖2可以看出：參考點(diǎn)溫度從58.13℃降低到50.81℃，通過改善對流環(huán)境可以有效的提高LED燈具的散熱性能。

圖2 Z向添加風(fēng)速0.1m/s時的溫度分布圖Fig.2 The temperature distribution when add wind speed 0.1m/s for Z direction

2 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化對LED散熱的影響

2.1 散熱器材料的選擇

選擇散熱器材料時主要考慮材料的導(dǎo)熱能力、價格及工藝性等參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)的大小表明導(dǎo)熱能力的大小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。在金屬材料中，鉆石和銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高，但價格不菲；純銅次之，但加工難；純鋁由于硬度不足，很難進(jìn)行切削加工；散熱器一般采用鋁合金，這是因為鋁合金的加工性好、重量輕、表面處理容易、成本低廉[5]。目前市場上多用鋁合金作為LED散熱器的材料，通常由壓鑄或擠壓成型[6]。

2.2 散熱器翅片的設(shè)計

(1)散熱器翅片數(shù)量的分析

散熱面積定義為暴露在周圍環(huán)境的所有表面積之和，散熱面積越大的散熱器，其熱容量越大。不同的翅片高度和翅片間距決定了對流面的面積，是影響散熱器散熱效果的重要因素。散熱器的翅片數(shù)越多，其散熱表面積越大，這樣熱量可以散發(fā)得更快[6]。增加翅片數(shù)量可以有效的降低燈具溫度，但翅片的個數(shù)受到加工工藝的限制，不可能無限增加，相反過密翅片布局，對流不能充分進(jìn)行，散熱效果變差。依據(jù)加工工藝經(jīng)驗，翅片數(shù)量一般不超過40片。

(2)散熱器翅片寬度的分析

散熱器翅片厚度尺寸的改變對燈具工作溫度影響并不大，因為翅片厚度的增加，并不能有效增大翅片散熱面積，相反卻會造成散熱器重量的增加，提高成本[6]。依據(jù)擠壓工藝經(jīng)驗，翅片厚度保證大于1mm的前提下，盡量減薄散熱器的厚度。

(3)散熱器翅片高度的分析

對翅片的高度分析時，做實驗時，我們保持其他幾何參數(shù)和環(huán)境條件不變，用軟件仿真后得到散熱器翅片高度與燈具溫度的曲線圖。隨著翅片高度的增加，燈具的溫度下降，當(dāng)翅片高度增加到67mm左右時，計算收斂。增加散熱器翅片高度可以有效的提高散熱器的散熱能力，但過分地增加翅片高度會增大LED燈具的重量，不符合LED應(yīng)用的要求。

2.3 散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

綜合以上對散熱器的分析，本文選擇鋁合金作為散熱器的材料；根據(jù)經(jīng)驗和前期數(shù)值模擬結(jié)果，確定最優(yōu)翅片數(shù)目為36片，翅片高度為67mm，翅片寬度為2.11mm～3.12mm，可保證自然對流的順利進(jìn)行；翅片的布局關(guān)系到散熱器內(nèi)氣流組織、換熱系數(shù)的提高，本散熱器采用波紋狀翅面布局結(jié)構(gòu)，可以制造紊流；針對平板翅片式散熱器單純依靠自然對流散熱的缺陷。本文提出了一種翅片間設(shè)有釘柱的翅柱復(fù)合型散熱器。釘柱能夠使通過該散熱器的氣流受到擾動，從而提高其散熱性能[6-7]。在相同的風(fēng)速下，翅柱式散熱器表面的Nusselt數(shù)比平板翅式散熱器高30%～45%；在相同的泵送功率下，翅柱式散熱器的收益因子比平板翅式散熱器約高20%[8]。本文設(shè)計的翅柱式復(fù)合型散熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 翅柱式復(fù)合型散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of composite radiator with wing

3 散熱器表面處理對LED散熱的影響

3.1 陽極氧化表面處理

鋁陽極氧化的實質(zhì)是將鋁合金散熱器為陽極置于電解溶液中，利用電解作用，使其表面形成氧化鋁薄膜的過程，具有一定的耐腐蝕性和較好的物理吸附能力。當(dāng)加入新的氧化鋁后，在陽極上又析出氧，氧與炭粉反應(yīng)，逐漸使陽極表面清靜，電阻減小，電解過程又趨于正常[9]。鋁陽極氧化后的散熱器可以用電解著色加以染色。本實驗中的陽極氧化表面處理的散熱器就是通過電解解著色來得到一個黑色的表面。

3.2 噴粉工藝

噴粉工藝也稱粉末涂裝，本實驗中，采用靜電粉末噴涂法用噴槍將“阿克蘇JA500C”號白色粉末均勻地噴涂到散熱器表面，待加溫烘烤固化后粉層流平成為均勻的膜層后，可用于下一步數(shù)據(jù)的測量。

3.3 本色處理

本色處理就是散熱器表面不做任何處理，直接用在LED燈具進(jìn)行散熱處理。

3.4 溫度測試實驗

在這次實驗中，使用數(shù)字采集儀對燈體進(jìn)行實驗(點(diǎn)燈測試)，實驗中用的是XICATO模組(16W)，TC(結(jié)溫)溫度是70℃。溫度感應(yīng)探頭分別測試LED模組的溫度、燈體的溫度和散熱座底部溫度，溫度測試部位如圖4所示。實驗室溫度介于23～24℃左右，這樣的環(huán)境溫度較穩(wěn)定，有利于指導(dǎo)實際應(yīng)用。

圖4 溫度測試部位圖Fig.4 The test site for temperature

分別對散熱器進(jìn)行陽極氧化表面處理、噴粉工藝和本色處理三種情況進(jìn)行溫度測試，測試的結(jié)果如圖5所示。

圖5 散熱器三種方式表面處理的溫度測試圖Fig.5 The temperature test that the surface of radiator are treated by three ways

在圖5中，線A指LED模組溫度，線B指散熱座底部溫度，黃線表示燈體溫度，綠線表示室內(nèi)溫度。從圖5中的三種不同表面處理的溫度曲線可以看出，做了表面處理的圖5(a)、圖5(b)曲線溫度比沒有做表面處理的圖5(c)曲線溫度低大概7～8℃，這對于燈具散熱來說，是一個不小的提高。黑色的陽極氧化表面處理要比白色的噴粉處理散熱效果好，這是因為黑色的陽極氧化表面的輻射率要優(yōu)于白色的噴粉表面，輻射以紅外波的形式帶走部分熱量，有利于燈具的散熱。

4 市場應(yīng)用此散熱器的產(chǎn)品實例

本文優(yōu)化設(shè)計后的散熱器，其產(chǎn)品已經(jīng)投入到歐美市場中使用了。歐美市場上的一些MR16-LED射燈、E27-LED射燈(如圖6所示)都是應(yīng)用本文優(yōu)化設(shè)計的散熱器。例如：MR16-LED射燈和9Wx1-LED射燈，其參數(shù)如表2所示。

圖6 兩種LED射燈Fig.6 Two diffirent LED spotlight

表2 兩種LED射燈的重要參數(shù)Table 2 Important parameters of two different LED spotlight

從表2可以看出：使用本文散熱器的LED燈具比普通鹵素?zé)艟哂惺‰?、耐用、亮度高、發(fā)熱量低等特點(diǎn)。實驗和實踐表明：本文優(yōu)化設(shè)計的散熱器對大功率LED燈具的散熱效果良好。

5 結(jié)論

合理優(yōu)化LED燈具的散熱效果對大功率LED照明應(yīng)用普及意義重大。本文采用實驗和理論分析相結(jié)合的方法分析了幾種改善LED燈具散熱效果的方法，實驗和仿真結(jié)果表明：改善LED燈具的對流環(huán)境和對LED散熱器表面進(jìn)行工藝處理都能使LED散熱器的溫度降低約8℃；合理選擇散熱器的材料和優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計均能提高LED的散熱效果。上述實驗結(jié)果對大功率LED燈具的散熱設(shè)計和實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

[1] 馬湘君,吳禮剛,戴世勛.大功率LED筒燈散熱分析[J].照明工程學(xué)報,2011,22(6):18-21.

[2] 郭凌曦,左敦穩(wěn),孫玉利.LED散熱技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報,2013,24(2):64-68.

[3] 褚旭昭,丁同言,楊潔翔，等.LED散熱器散熱性能優(yōu)化分析[J].照明工程學(xué)報,2012,23(1):62-65.

[4] 王樂,吳珂,俞益波.自然對流條件下LED陣列散熱器改進(jìn)研究[J].光電子·激光,2011,22(3):338-342.

[5] 柴偉偉,陳清華,李琳紅.大功率 LED 燈珠與散熱器直焊結(jié)構(gòu)散熱效果分析[J].發(fā)光學(xué)報,2011,32(11):1171-1174.

[6] 莊儉,韓月,張亞.LED 路燈塑料散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].塑料,2012,41(3):83-86.

[7] 吳軍,李抒智,楊衛(wèi)橋.功率型LED散熱器的研究[J].半導(dǎo)體技術(shù),2010,35(10):964-966.

[8] 高效翅柱復(fù)合型散熱器的流動與散熱性能研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2004,38(11):1115-1118.

[9] 梁字輝.復(fù)合表面處理對CPU散熱器性能的影響[J].自動化與儀器儀表,2011(3)155-157.