大功率LED灯具散热的优化设计

王忠锋,黄伟玲,白金强

(1.江西理工大学应用科学学院，江西 赣州 341000；2.广州雄义精密五金有限公司，广东 广州 510000)

引言

发光二极管(LED)具有不含汞、寿命长、节能环保等优点，被广泛应用到显示、照明领域中，但大功率LED目前只能将约15%的输入功率转化为光能，而其余85%转化成了热能[1-3]。芯片的热量若不能散出去， LED的寿命将缩短，所以散热问题是影响大功率 LED 发展的瓶颈之一。因此，对LED灯具的散热装置进行优化设计，改善散热结构的内部流畅，从而提高LED灯具的稳定性和使用寿命，成为LED设计人员关心的课题。如何从散热器结构设计方面将不同的散热技术整合优化，达到一个相对最佳的状态，从而满足大功率 LED散热的要求。

本文从大功率灯具的散热器材料选择、散热器结构优化设计、散热器表面处理工艺、有效散热面积、对流条件等诸多因素进行分析与散热性能的关系，对各种不同的散热技术进行整合优化。

1 改善对流环境对LED散热的影响

常见的对流散热方式有自然对流和强制对流两种[4]。对于小功率LED进行自然对流散热即可，针对大功率LED，自然对流不能满足要求，需要改善对流环境来进行散热。改善对流环境的措施很多，如通过改变散热片形状来破坏空气层流状态、加装风扇等。

为了说明改善对流环境对散热的影响，下面用MR16灯具来进行分析，MR16照明灯具配置三颗Cree XR-E光源，额定电压9.6V，额定电流350mA。灯体选用6063T5材料，散热方式为自然对流，灯座内安装恒流驱动源，为了减少驱动源发热的影响，参考点取杯口上缘。样品的铝基板热阻约1℃/W，在室温26℃时的自然对流环境下，灯具的模型及测试点如图1所示。

图1 MR16灯具模型及测试点图Fig.1 The model of MR16 lamp and its test points

灯具温度测试结果如表1所示。这是未进行任何比较时的初始值。

表1 MR16灯具外壳温度测试值Table 1 The temperature test value for the MR16 lamp shell

在灯具法向(Z向)添加风0.1m/s(类似于添加轴流风扇)，对其进行强制对流模拟，用FloEFD软件进行仿真，温度分布如图2所示的结果。从图2可以看出：参考点温度从58.13℃降低到50.81℃，通过改善对流环境可以有效的提高LED灯具的散热性能。

图2 Z向添加风速0.1m/s时的温度分布图Fig.2 The temperature distribution when add wind speed 0.1m/s for Z direction

2 散热器结构优化对LED散热的影响

2.1 散热器材料的选择

选择散热器材料时主要考虑材料的导热能力、价格及工艺性等参数。导热系数的大小表明导热能力的大小，导热系数越大，导热能力越强。在金属材料中，钻石和银的导热系数最高，但价格不菲；纯铜次之，但加工难；纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工；散热器一般采用铝合金，这是因为铝合金的加工性好、重量轻、表面处理容易、成本低廉[5]。目前市场上多用铝合金作为LED散热器的材料，通常由压铸或挤压成型[6]。

2.2 散热器翅片的设计

(1)散热器翅片数量的分析

散热面积定义为暴露在周围环境的所有表面积之和，散热面积越大的散热器，其热容量越大。不同的翅片高度和翅片间距决定了对流面的面积，是影响散热器散热效果的重要因素。散热器的翅片数越多，其散热表面积越大，这样热量可以散发得更快[6]。增加翅片数量可以有效的降低灯具温度，但翅片的个数受到加工工艺的限制，不可能无限增加，相反过密翅片布局，对流不能充分进行，散热效果变差。依据加工工艺经验，翅片数量一般不超过40片。

(2)散热器翅片宽度的分析

散热器翅片厚度尺寸的改变对灯具工作温度影响并不大，因为翅片厚度的增加，并不能有效增大翅片散热面积，相反却会造成散热器重量的增加，提高成本[6]。依据挤压工艺经验，翅片厚度保证大于1mm的前提下，尽量减薄散热器的厚度。

(3)散热器翅片高度的分析

对翅片的高度分析时，做实验时，我们保持其他几何参数和环境条件不变，用软件仿真后得到散热器翅片高度与灯具温度的曲线图。随着翅片高度的增加，灯具的温度下降，当翅片高度增加到67mm左右时，计算收敛。增加散热器翅片高度可以有效的提高散热器的散热能力，但过分地增加翅片高度会增大LED灯具的重量，不符合LED应用的要求。

2.3 散热器结构的优化设计

综合以上对散热器的分析，本文选择铝合金作为散热器的材料；根据经验和前期数值模拟结果，确定最优翅片数目为36片，翅片高度为67mm，翅片宽度为2.11mm～3.12mm，可保证自然对流的顺利进行；翅片的布局关系到散热器内气流组织、换热系数的提高，本散热器采用波纹状翅面布局结构，可以制造紊流；针对平板翅片式散热器单纯依靠自然对流散热的缺陷。本文提出了一种翅片间设有钉柱的翅柱复合型散热器。钉柱能够使通过该散热器的气流受到扰动，从而提高其散热性能[6-7]。在相同的风速下，翅柱式散热器表面的Nusselt数比平板翅式散热器高30%～45%；在相同的泵送功率下，翅柱式散热器的收益因子比平板翅式散热器约高20%[8]。本文设计的翅柱式复合型散热器结构如图3所示。

图3 翅柱式复合型散热器结构图Fig.3 The structure of composite radiator with wing

3 散热器表面处理对LED散热的影响

3.1 阳极氧化表面处理

铝阳极氧化的实质是将铝合金散热器为阳极置于电解溶液中，利用电解作用，使其表面形成氧化铝薄膜的过程，具有一定的耐腐蚀性和较好的物理吸附能力。当加入新的氧化铝后，在阳极上又析出氧，氧与炭粉反应，逐渐使阳极表面清静，电阻减小，电解过程又趋于正常[9]。铝阳极氧化后的散热器可以用电解着色加以染色。本实验中的阳极氧化表面处理的散热器就是通过电解解着色来得到一个黑色的表面。

3.2 喷粉工艺

喷粉工艺也称粉末涂装，本实验中，采用静电粉末喷涂法用喷枪将“阿克苏JA500C”号白色粉末均匀地喷涂到散热器表面，待加温烘烤固化后粉层流平成为均匀的膜层后，可用于下一步数据的测量。

3.3 本色处理

本色处理就是散热器表面不做任何处理，直接用在LED灯具进行散热处理。

3.4 温度测试实验

在这次实验中，使用数字采集仪对灯体进行实验(点灯测试)，实验中用的是XICATO模组(16W)，TC(结温)温度是70℃。温度感应探头分别测试LED模组的温度、灯体的温度和散热座底部温度，温度测试部位如图4所示。实验室温度介于23～24℃左右，这样的环境温度较稳定，有利于指导实际应用。

图4 温度测试部位图Fig.4 The test site for temperature

分别对散热器进行阳极氧化表面处理、喷粉工艺和本色处理三种情况进行温度测试，测试的结果如图5所示。

图5 散热器三种方式表面处理的温度测试图Fig.5 The temperature test that the surface of radiator are treated by three ways

在图5中，线A指LED模组温度，线B指散热座底部温度，黄线表示灯体温度，绿线表示室内温度。从图5中的三种不同表面处理的温度曲线可以看出，做了表面处理的图5(a)、图5(b)曲线温度比没有做表面处理的图5(c)曲线温度低大概7～8℃，这对于灯具散热来说，是一个不小的提高。黑色的阳极氧化表面处理要比白色的喷粉处理散热效果好，这是因为黑色的阳极氧化表面的辐射率要优于白色的喷粉表面，辐射以红外波的形式带走部分热量，有利于灯具的散热。

4 市场应用此散热器的产品实例

本文优化设计后的散热器，其产品已经投入到欧美市场中使用了。欧美市场上的一些MR16-LED射灯、E27-LED射灯(如图6所示)都是应用本文优化设计的散热器。例如：MR16-LED射灯和9Wx1-LED射灯，其参数如表2所示。

图6 两种LED射灯Fig.6 Two diffirent LED spotlight

表2 两种LED射灯的重要参数Table 2 Important parameters of two different LED spotlight

从表2可以看出：使用本文散热器的LED灯具比普通卤素灯具有省电、耐用、亮度高、发热量低等特点。实验和实践表明：本文优化设计的散热器对大功率LED灯具的散热效果良好。

5 结论

合理优化LED灯具的散热效果对大功率LED照明应用普及意义重大。本文采用实验和理论分析相结合的方法分析了几种改善LED灯具散热效果的方法，实验和仿真结果表明：改善LED灯具的对流环境和对LED散热器表面进行工艺处理都能使LED散热器的温度降低约8℃；合理选择散热器的材料和优化散热器的结构设计均能提高LED的散热效果。上述实验结果对大功率LED灯具的散热设计和实际生产具有指导意义。

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