200W LED燈散熱器設計與優化

謝偉偉 顏禎 王高輝 尹志新

摘 要

LED燈具有諸多優點，但其電光轉換效率較低，致使結溫較高。因此，有必要優化LED燈散熱器結構以降低LED燈最高結溫。本文設計了一款采用自然對流進行散熱的200W LED燈散熱器，利用熱仿真軟件進行仿真模擬，并通過簡單比較法優化散熱器參數。結果表明，所設計的散熱器其LED最高結溫為96.1℃，能滿足散熱要求;優化后的散熱器使LED最高結溫降低4.47%的同時質量降低23.83%，優化效果較為明顯。

關鍵詞

LED散熱器;簡單比較法;最高結溫;優化

中圖分類號： TN312.8? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.043

0 引言

LED具有光效高、體積小、光譜窄、開關時間短和壽命長等優點[1]。然而LED的電光轉換效率僅為20%，則有80%的能量將轉化為熱能，若熱量未能及時傳遞出去，則LED的結溫將升高。研究表明LED結溫升高對光效、壽命及波長均有一定影響[2]。因此，有必要對LED燈散熱器進行優化，以降低LED結溫。

近年來，一些專家學者對大功率LED燈散熱器的優化進行了大量的研究，并取得了一定的進展，如唐帆等[3]發現經過開縫交錯處理的太陽花散熱器散熱性能有所提升;李灝等[4]利用正交試驗法對太陽花散熱器結構進行優化，優化后的散熱器在質量基本不變的條件下散熱效率顯著提升;呂北軒等[5]利用多目標遺傳算法對一大功率LED工礦燈結構進行優化，優化后的LED工礦燈最高結溫降低了16.46%，散熱器質量降低了62.61%，優化效果顯著。

本文設計了一款200W LED燈散熱器，利用SolidWorks軟件建模，利用Ansys Icepak軟件進行自然對流散熱仿真，并通過簡單比較法研究翅片參數對散熱器散熱性能的影響，從而得出得出一個最優的翅片參數組合。

1 200W LED燈散熱器設計

所設計的200W LED燈采用傳統的翅片散熱器進行散熱，一般自然對流換熱系數為5～10W/（m.℃），這里取平均值7.5W/（m.℃）;設環境溫度為25℃，散熱器的溫升為45℃;設LED的電光轉換效率為20%，則200W LED燈的熱耗為160W。由牛頓冷卻定律可知，200W LED燈散熱器所需的散熱面積為：

所設計的散熱器如圖1所示。其中，散熱器直徑為287 mm，散熱器高度為76mm，基板厚度為4mm;翅片數量為24片，翅片間距為5.5mm，翅片截面形狀為梯形，翅根厚度為4.5mm，拔模斜度為1.36°，翅片高度為50mm;散熱面積為0.5234m2，略大于0.4741m2，保證散熱器有一定的余量;散熱器質量為2.828kg。

所設計的LED燈如圖2所示。其中，LED呈環形排列，尺寸為3mm×3mm×1mm，數量為100顆;鋁基板尺寸為φ 200mm×2.32mm;透鏡尺寸為φ250mm×4mm。

2 自然對流仿真模擬

利用SolidWorks建立LED燈模型，再通過Icepak進行仿真模擬。散熱器與透鏡蓋的材質均為ADC12，導熱系數為148W/（m·K）;透鏡材質為光學玻璃，導熱系數為1W/（m·K）;LED基板材質為鋁基板，徑向導熱系數為216.5W/（m·K），法向導熱系數為3W/（m·K）;單顆LED功率為2W，電光轉換效率取20%，則熱功率為1.6W;環境溫度設為25℃。

為節省計算時間，這里采用1/4模型進行仿真計算。經過仿真優化前模型溫度分布云圖如圖3所示。由圖可知LED最高結溫為96.1℃，散熱器滿足散熱要求。

3 散熱器結構優化

本文將通過簡單比較法對散熱器進行分析，優化目的是進一步降低LED最高結溫T與散熱器質量，需要優化的參數包括翅片數量N、翅片厚度t、翅片高度H、翅片間距s。

3.1 翅片數量對LED最高結溫的影響

在研究翅片數量N對LED最高結溫的影響時，保持t=4.5 mm，H=50mm，s=5.5mm不變，N的變化范圍為12～24，取值間隔為2。

圖4為LED最高結溫T隨翅片數量的變化。由圖可知，當N從12 增加至24時，LED最高結溫逐漸下降，并且下降的速率減緩。當N從20增加至24時，LED最高結溫僅降低2.1℃，為了降低散熱器的質量，這里選取N為20。

3.2 翅片厚度對LED最高結溫的影響

由于翅片有一定的拔模斜度，因此這里保持拔模斜度不變，用翅片根部厚度表示翅片厚度。在研究翅片厚度t對LED最高結溫的影響時，保持N=16，H=50mm，s=5.5mm不變，t的變化范圍為3.5～5.5mm，取值間隔為0.5mm。

圖5為LED最高結溫T隨翅片厚度的變化。由圖可知，當t從3.5mm增加至5.5mm時，LED最高結溫逐漸增加，這是因為翅片厚度增加時翅片間距減小導致對流換熱系數降低，同時翅片厚度的增加會增加散熱器質量，因此這里選取t為3.5mm。

3.3 翅片高度對LED最高結溫的影響

在研究翅片高度H對LED最高結溫的影響時，保持N=16，t=3.5mm，s=5.5mm不變，H的變化范圍為40～60mm，取值間隔為5mm。

圖6為LED最高結溫T隨翅片高度的變化。由圖可知，當H從40mm增加至60mm時，LED最高結溫逐漸降低，這是因為翅片高度增加時散熱面積也隨之增加，因此這里選取H為60mm。

3.4 翅片間距對LED最高結溫的影響

在研究翅片間距s對LED最高結溫的影響時，保持N=16，t=3.5mm，H=60mm不變，s的變化范圍為3～7mm，取值間隔為1mm。

圖7為LED最高結溫T隨翅片間距的變化。由圖可知，當翅片間距從3mm增加至7mm時，LED最高結溫逐漸降低，這是因為翅片間距增加能有效提高翅片間空氣的流動性，從而提高了對流換熱系數，因此選取s為7mm。

根據以上分析，LED散熱器翅片最佳參數組合為：N=16，t=3.5mm，H=60，s=7mm。依據散熱器翅片最佳參數組合得到的散熱器模型如圖8所示，質量為2.154g，比原散熱器低0.674kg，約降低了23.83%。根據仿真，優化后模型溫度分布云圖如圖9所示，LED最高結溫為91.8℃，比原散熱器LED最高結溫降低了4.3℃，約降低了4.47%。

4 結論

本文設計了一款采用自然對流進行散熱的200W LED燈散熱器，利用熱仿真軟件ANSYS Icepak進行仿真模擬，并通過簡單比較法優化散熱器參數。結果表明，所設計的散熱器其LED最高結溫為96.1℃，能滿足散熱要求;優化后的散熱器使LED最高結溫降低4.47%的同時質量降低23.83%，優化效果較為明顯。

參考文獻

[1]劉木清.LED及其應用技術[M].北京：化學工業出版社，2013.15-19.

[2]劉木清.LED及其應用技術[M].北京：化學工業出版社，2013：158-160.

[3]唐帆，郭震寧.LED太陽花散熱器開縫交錯設計[J].光學學報，2018，38（01）：284- 290.

[4]李灝，錢新明，陳威.LED太陽花散熱器正交試驗模擬優化設計[J].照明工程學報，2016，27（01）：119-123.

[5]呂北軒，熊峰.新型大功率LED工礦燈用散熱結構設計與優化[J].現代電子技術，2018，41（21）：161-164.