新型大功率LED工矿灯用散热结构设计与优化分析

张江滨

摘 要：本文提出了一种新型的LED工矿灯散热结构，并且增加小超，在纵向超载纵向超片上进行开槽，以此来改善散热结构对流特性，进一步提升散热性能，并且设计新型散热结构的设计方案，优化得到新型散热结构的性能，并对新型散热结构的相关参数对散热性能的影响进行分析，最后分析探讨大功率LED工矿灯设计内容。

传统的照明光源在应用过程会消耗很大的能量，并且发光效率低，所以随着光电技术的发展，LED光源逐渐取代了传统照明光源，在工作过程当中，LED光源会受到量子效率的制约，有一部分的能量向热能进行转化，只有15%到20%的能量会转化为光能，比如LED结温过高就会造成效能下降，光能下降，光谱红移等不利情况发生，所以对于LED灯具进行热管理是提高LED灯具性能的最有效方式。那么，科学合理地设计LED灯具散热结构是关键之处。相关文献，做出了LED筒灯三个结构的优化，研究以高度，长度，厚度作为参数，以低质量和几何尺寸约束的条件之下做出了优化。除此之外，还有文献以方向不同的两个LED散热结构进行对比分析，两者的截面积相同，对在相同的环境下对两者的自然对流冷却效果进行研究。一些作者对散热结构进行研究过程当中表明，散热结构很难同时满足较低的质量和良好散热性能两方面的要求，所以本文对某款大功率LED矿灯散热结构做出深入的分析和探讨。 通过优化新型散热结构，满足LED结温的条件下，为保证质量较轻散热结构，散热性能良好，节约材料，提升材料利用率为目的做出了深入的探讨。

1 大功率LED工矿灯设计现状

现阶段，市场上的大功率LED工矿灯在现阶段大体可以分为两类，分别是整体成型散热结构和结合型散热结构，大多数的LED工矿灯实际上的散热设计过程当中仍然会存在一些问题，主要有以下几点：第一，随意的设定散热翅片的面积，并不进行定量设定，而是靠感觉，这种情况是非常严重的一个错误，会直接影响到灯具散热重量和效果。第二，不合理的布置散热翅片，布置过程没有以中心对称为基准，那么就会对热量传递的均衡行进行影响，还会影响到散热底板以及铝基板的固定效果，最终造成生产效率和散热效果差等问题发生。第三，在热传导过程中忽略了对流散热环节也是一个错误之处。厂家往往重视灯具的热管，导热硅脂等方面的内容，却忽视了热量散失仍然需要依靠灯具外表面。第四，对传热的均衡性进行了忽视。这一问题是普遍，深层次问题。翅片具有不均匀的温度分布就会影响到其中一部分翅片應该具备的作用难以发挥。

2 新型散热结构的设计方案

应用ANSYS lcepak仿真模拟传统的LED工矿灯，其发热热源为5730型LED芯片，如图1所示，在灯具底部集中了更多的热量，LED的结温温度达到了79.06%，会造成散热效果差。

本文通过结合小肋片进行直肋式翅片代替，应用开裂式翅片，并且改进原来的散热结构。构建新型散热结构参数化模型，并且设置相关变量，如翅片数目，高度，开缝数目，间距等参数，以这些变量为基础来进行后续工作设计。

3 分析仿真结果，优化散热结构

通过相关软件模块进行结构参数的正交实验，并且通过CenterComposite design类型做出相应散点图。

散热性能受到结构参数影响分析如下：本文分析了结温温度受到翅片数目，高度，开缝数目，间距等参数影响，从而判断这些结构参数对结构散热性能影响。以下是结温温度的各参数响应曲面图，见图3。进行翅片的开缝处理能够改善散热性能，提升散热能力同时对流换热系数在这个过程发挥了主要的作用。不过，开缝间距会随着开缝数目的增加而变近，造成乱流现象发生，会影响到气流流动。散热性能受到开缝距离提升的影响是有限的，过大的开缝反而会要接你对流换热系数作用发挥有限，不能够弥补散热面积所降低的量。翅片长度增加在本文所用的新型结构当中反而不利于散热，这和散热结构纵向长度相关，由于长度一定，翅片长度又受到开缝数目和间距的影响，这就会造成翅片长度和开缝间距对结温温度影响成负相关。提升翅片数目能够对结温温度进行降低，增加散热，提高对流能力。对小翅片长度进行增加，能够降低结温温度，效果显著，这主要是由于增加小翅片长度后增加了换热面积，并且散热结构的流体性能没有改变。但结温温度受到小翅片高度的影响并不大。

通过优化以后，优化后效果明显优于传统散热结构。优化后的散热结构LED芯片最高结温温度相比于传统散热结构降低了13.01℃，质量轻了约62.61%，具有明显的效果。

4 大功率LED工矿灯设计内容

第一，外观设计，一些设计师在进行LED工矿灯设计时并不是很关注外观设计问题，到灯具的外观结构在近些年来随着社会发展受到了人们的广泛关注，也就是艺术化。在设计灯具外观结构过程，设计师需要考虑环境等因素。比如，飞利浦作为全球的电器巨头就达到了最高的灯具设计境界，应用只见光不见灯的理念，所以，这也是我们需要发展的方向，虽不可一步到位，但仍需努力。

第二，散热结构设计。灯具的散热结构设计过程是重要的内容，决定了灯具的寿命，主要内容包括灯具的散热器设计，还包括整个散热通道的设计，所以这也关系到了零部件的装配工艺和成型工艺。我们将热阻公式引入其中，从而为更好设计出散热通道做出努力。对于热量传导来说，热阻是阻碍其发展的程度。热阻和电阻串联具有一样的性质，在设计过程中仍然需要遵循相关设计原则。散热器设计是散热结构设计的核心，需要先选择散热器材料，具备更大的热传导系数，这个过程也需要考虑到机械的价格，性能和工艺。这个过程需要采用具备更好导热性能的6063AL，并且采取成型和挤压工艺。而一些散热器的空间结构比较复杂，那么就需要采用压铸成型工艺或者是锻压成型，不能够在采用挤压成型，但锻压成型工艺会受到多方面因素的限制，具有较高成本，虽虽然压铸成型生产效率高，但由于其应用铝合金ADC12，所具备的散热效果是比较差的，因此在设计散热器过程需要灵活进行。

第三，工艺结构设计。除了需要设计散热器本身结构以外还需要在设计灯具工艺结构过程使得其结构符合成型工艺要求，要对灯具的装配工艺做出充分的考虑。很多设计师都会对散热器成型工艺做出充分的考虑，也会在设计散热器结构过程，根据具体工艺要求进行设计，但需要充分考虑多方面的因素进行装配工艺设计，如果装配不好，那么就会对整个灯具的寿命产生严重影响，也会造成设计要求无法达到，因此，良好装配工艺结构对散热具有更加有利影响，并且对灯具寿命和生产效率的提高都具有重要影响。

对于电路设计过程来说，本文所包含内容不包括设计驱动电源，因为该过程对于LED灯具寿命来说是短板所在，并且需要具备很强的专业性，现阶段，一般需要外购LED灯具的驱动电源。对于LED工矿灯来说，电路设计主要指的是设计LED光源线路板，由于需要较多的光源数量，那么就会采取并联或者是串联的方式进行LED光源布置，除了需要考虑散热设计，安全设计等方面的问题之外，还需要保护光源，在单颗光源失效以后做好充足准备，确保其他的光源能够不会受到影响，得以进行正常工作。

5 结语

相比于传统的高压钠灯，大功率LED工矿灯能够起到综合节能60%以上的效果，并且色彩丰富，安全可靠，在仓库，车间，工厂收费站等很多地方都具有广泛的应用。LED工矿灯随着逐步提高的LED发光效率具有更加广泛的应用。LED灯具在现今倡导低碳，节能环保的时代受到了人们的广泛青睐，并且为人们的生产生活增添了更多的光彩。

参考文献：

[1]潘裕， 向文江. 大功率LED灯散热器结构设计[J]. 山东工业技术， 2018， 000（005）：7-8.

[2]阮文沁. 大功率LED灯散热结构设计分析[J]. 山东工业技术， 2019， 279（01）：14.

[3]周旭.大功率COB-LED散热研究及散热器设计[D]. 2018.