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大功率LED路灯的散热结构设计和参数优化

时间:2014-12-22  来源:扁平线圈电感厂家  点击:


根据正交试验表中的数据,将以上四因素对试验指标的极差进行统计,结果见表3~表6。表中数据显示对散热片质量的影响由大到小的因素依次为:翅片厚度、翅片间距、翅片高度、底板厚度;对模型最高点温度的影响由大到小的因素依次为:翅片间距、翅片高度、翅片厚度、底板厚度。

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从试验结果分析可得出,在设计大功率LED翅片式散热结构时,为了得到更好的散热效果,应使翅片厚度和翅片间距尽可能小,但实际上这些值又不能无限小。首先,由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击。其次,翅片间距减小,翅片数量增加,会导致静压下降。若翅片数量过模压电感多过密,则会降低空气流速,相反会使散热片的散热效率降低。
另外,在实际中,因美观与一些特定的环境要求,会对灯具整体高度有所限制。这样就限定了散热器的高度,而散热器的高度是底板与翅片高度之和。若增加底板厚度则散热片的高度就要降低。在整个散热结构中,底板的主要功能是将灯具内部光源产生的热量导出,再有外部的翅片散发掉。因此,选取合适的底板厚度和翅片高度也是加快散热的有效途径。
2.2 参数优化实验二
在现有LED路灯散热结构中,多采用导热板方式,即一定厚度的底板作为均温板,先把热源均温掉;这部分主要起到热传导的作用,将LED产生的热量从灯具内部导出。再借由外部翅片将热量散发出去。然而外部翅片散热机理,即在何种形态以及比例下散热效果会最佳,没有发现对此类问题的进一步研究与优化。
为了说明传导与对流对散热的影响,本塑封电感文利用ANSYS对单个LED的散热过程进行了分析。整个试验过程中,总的长度是不变的。整体散热过程是热传导与对流相互作用的结果,为了说明各自的影响,姑且将翅片划分为传导部分与对流部分来分析。试验中,将假设的非传导部分细化,以增加其对流面积。利用ANSYS对单个LED下总散热柱的长度为50 mm的模型进行了热分析,结果见表7。

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由以上结果可知,并不是“传导长度”越长,温度就越低;因为“传导长度”越长,相应的对流并不是最好的,在整个散热过程中,这两者相互制约,只有在两者选取都非常合理的时候,才能得到最佳的效果。正如此试验中选取的“传导长度”为40mm时,得到了最低温度5塑封电感6.504℃,如图4所示。

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2.3 结果验证
结合以上试验分析结果,在充分考虑LED路灯产品的外观、散热片质量、强调热传导与对流散热环节的平衡等因素后,对LED路灯产品的散热片结构进行了优化设计。由表8可知,参数优化后的结构首先减小了散热器的质量,其质量由10.41kg下降为8.82 kg,比原有的减小了15.3%。图5为散热器改良前的结构图。

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利用ANSYS分析软件和红外热像仪对两种产品进行了热分析和实测,其结果分别如下图6、图7所示。
由上图可知,利用ANSYS分析的结果,温度由63.325℃降为53.325℃,降幅为10℃;而实测结果的温度则由66.7℃下降为54.8℃。降幅为11.9℃。模拟结果中温度分布与实测温度分布基本相符,温度范围稍小于实测温度范围,这主要是由于模拟过程中忽略了界面热阻、芯片与管壳粘接材料的热阻以及MCPCB与散热器之间粘接材料的热阻。

3 结论
对于贴片电感由多个大功率LED密集排列组成的路灯,其更多的热量需要从芯片结区有效地消散掉,因此大功率LED路灯的热管理问题对于LED散热技术是一个挑战。
本文首先根据现有LED路灯产品建立起了基于热传导/热对流的有限元模型,利用ANSYS对其散热结构进行了热分析:另外,通过两种优化试验,分析了不同结构参数对质量与热分布的影响,同时着重研究了热传导与热对流两种散热方式对散热的影响,最终得出了一个较为理想的优化结果。优化后的结构经软件模拟与实测结果显示,改进后的散热器质量比原有散热器降低了约15.3%;同时,温度较原始模型有较大的下降,降幅达到了11℃以上;这为以后散热器的设计提供了一个指导方向。

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