200W LED灯散热器设计与优化

谢伟伟 颜祯 王高辉 尹志新

摘 要

LED灯具有诸多优点，但其电光转换效率较低，致使结温较高。因此，有必要优化LED灯散热器结构以降低LED灯最高结温。本文设计了一款采用自然对流进行散热的200W LED灯散热器，利用热仿真软件进行仿真模拟，并通过简单比较法优化散热器参数。结果表明，所设计的散热器其LED最高结温为96.1℃，能满足散热要求;优化后的散热器使LED最高结温降低4.47%的同时质量降低23.83%，优化效果较为明显。

关键词

LED散热器;简单比较法;最高结温;优化

中图分类号： TN312.8      文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.043

0 引言

LED具有光效高、体积小、光谱窄、开关时间短和寿命长等优点[1]。然而LED的电光转换效率仅为20%，则有80%的能量将转化为热能，若热量未能及时传递出去，则LED的结温将升高。研究表明LED结温升高对光效、寿命及波长均有一定影响[2]。因此，有必要对LED灯散热器进行优化，以降低LED结温。

近年来，一些专家学者对大功率LED灯散热器的优化进行了大量的研究，并取得了一定的进展，如唐帆等[3]发现经过开缝交错处理的太阳花散热器散热性能有所提升;李灏等[4]利用正交试验法对太阳花散热器结构进行优化，优化后的散热器在质量基本不变的条件下散热效率显著提升;吕北轩等[5]利用多目标遗传算法对一大功率LED工矿灯结构进行优化，优化后的LED工矿灯最高结温降低了16.46%，散热器质量降低了62.61%，优化效果显著。

本文设计了一款200W LED灯散热器，利用SolidWorks软件建模，利用Ansys Icepak软件进行自然对流散热仿真，并通过简单比较法研究翅片参数对散热器散热性能的影响，从而得出得出一个最优的翅片参数组合。

1 200W LED灯散热器设计

所设计的200W LED灯采用传统的翅片散热器进行散热，一般自然对流换热系数为5～10W/（m.℃），这里取平均值7.5W/（m.℃）;设环境温度为25℃，散热器的温升为45℃;设LED的电光转换效率为20%，则200W LED灯的热耗为160W。由牛顿冷却定律可知，200W LED灯散热器所需的散热面积为：

所设计的散热器如图1所示。其中，散热器直径为287 mm，散热器高度为76mm，基板厚度为4mm;翅片数量为24片，翅片间距为5.5mm，翅片截面形状为梯形，翅根厚度为4.5mm，拔模斜度为1.36°，翅片高度为50mm;散热面积为0.5234m2，略大于0.4741m2，保证散热器有一定的余量;散热器质量为2.828kg。

所设计的LED灯如图2所示。其中，LED呈环形排列，尺寸为3mm×3mm×1mm，数量为100颗;铝基板尺寸为φ 200mm×2.32mm;透镜尺寸为φ250mm×4mm。

2 自然对流仿真模拟

利用SolidWorks建立LED灯模型，再通过Icepak进行仿真模拟。散热器与透镜盖的材质均为ADC12，导热系数为148W/（m·K）;透镜材质为光学玻璃，导热系数为1W/（m·K）;LED基板材质为铝基板，径向导热系数为216.5W/（m·K），法向导热系数为3W/（m·K）;单颗LED功率为2W，电光转换效率取20%，则热功率为1.6W;环境温度设为25℃。

为节省计算时间，这里采用1/4模型进行仿真计算。经过仿真优化前模型温度分布云图如图3所示。由图可知LED最高结温为96.1℃，散热器满足散热要求。

3 散热器结构优化

本文将通过简单比较法对散热器进行分析，优化目的是进一步降低LED最高结温T与散热器质量，需要优化的参数包括翅片数量N、翅片厚度t、翅片高度H、翅片间距s。

3.1 翅片数量对LED最高结温的影响

在研究翅片数量N对LED最高结温的影响时，保持t=4.5 mm，H=50mm，s=5.5mm不变，N的变化范围为12～24，取值间隔为2。

图4为LED最高结温T随翅片数量的变化。由图可知，当N从12 增加至24时，LED最高结温逐渐下降，并且下降的速率减缓。当N从20增加至24时，LED最高结温仅降低2.1℃，为了降低散热器的质量，这里选取N为20。

3.2 翅片厚度对LED最高结温的影响

由于翅片有一定的拔模斜度，因此这里保持拔模斜度不变，用翅片根部厚度表示翅片厚度。在研究翅片厚度t对LED最高结温的影响时，保持N=16，H=50mm，s=5.5mm不變，t的变化范围为3.5～5.5mm，取值间隔为0.5mm。

图5为LED最高结温T随翅片厚度的变化。由图可知，当t从3.5mm增加至5.5mm时，LED最高结温逐渐增加，这是因为翅片厚度增加时翅片间距减小导致对流换热系数降低，同时翅片厚度的增加会增加散热器质量，因此这里选取t为3.5mm。

3.3 翅片高度对LED最高结温的影响

在研究翅片高度H对LED最高结温的影响时，保持N=16，t=3.5mm，s=5.5mm不变，H的变化范围为40～60mm，取值间隔为5mm。

图6为LED最高结温T随翅片高度的变化。由图可知，当H从40mm增加至60mm时，LED最高结温逐渐降低，这是因为翅片高度增加时散热面积也随之增加，因此这里选取H为60mm。

3.4 翅片间距对LED最高结温的影响

在研究翅片间距s对LED最高结温的影响时，保持N=16，t=3.5mm，H=60mm不变，s的变化范围为3～7mm，取值间隔为1mm。

图7为LED最高结温T随翅片间距的变化。由图可知，当翅片间距从3mm增加至7mm时，LED最高结温逐渐降低，这是因为翅片间距增加能有效提高翅片间空气的流动性，从而提高了对流换热系数，因此选取s为7mm。

根据以上分析，LED散热器翅片最佳参数组合为：N=16，t=3.5mm，H=60，s=7mm。依据散热器翅片最佳参数组合得到的散热器模型如图8所示，质量为2.154g，比原散热器低0.674kg，约降低了23.83%。根据仿真，优化后模型温度分布云图如图9所示，LED最高结温为91.8℃，比原散热器LED最高结温降低了4.3℃，约降低了4.47%。

4 结论

本文设计了一款采用自然对流进行散热的200W LED灯散热器，利用热仿真软件ANSYS Icepak进行仿真模拟，并通过简单比较法优化散热器参数。结果表明，所设计的散热器其LED最高结温为96.1℃，能满足散热要求;优化后的散热器使LED最高结温降低4.47%的同时质量降低23.83%，优化效果较为明显。

参考文献

[1]刘木清.LED及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2013.15-19.

[2]刘木清.LED及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2013：158-160.

[3]唐帆，郭震宁.LED太阳花散热器开缝交错设计[J].光学学报，2018，38（01）：284- 290.

[4]李灏，钱新明，陈威.LED太阳花散热器正交试验模拟优化设计[J].照明工程学报，2016，27（01）：119-123.

[5]吕北轩，熊峰.新型大功率LED工矿灯用散热结构设计与优化[J].现代电子技术，2018，41（21）：161-164.