高效率LED散热鳍片

高效率LED散热鳍片

吕志超，金建芳，费志杰，刑璐，童鎏港，吴飞

（衢州学院电气与信息工程学院浙江衢州324000）

摘要：随着现代照明技术的不断发展，LED由于具有效率高、节能好、可调光等优势，逐渐成为照明市场的主要产品。然而，大功率LED在工作过程中会产生大量的热量，为了有效地散发热量，必须使用高效率的LED散热鳍片。由此，设计了一种高效率的LED散热鳍片，该鳍片具有结构简单、高效节能，环保可靠的特点。

关键字：LED散热；散热方式；LED散热鳍片

1引言

光学设计和热管理直接关系到高功率LED的性能。理论上LED的发光效率是很高的，但是由于缺乏有效的散热方式，LED的实际发光效率只有10%-20%，大部分的电能转化成了热量。然而，热量的存在将极大地降低照明效率，高温导致LED发光颜色的改变，并使得LED的寿命缩短。研究证实，LED的寿命随着LED芯片节点温度的增加成指数形式下降。

常用的LED散热装置有热管、热电制冷器和微喷散热等，但主要还是通过散热鳍片增大散热面积的方法来进行降温。目前，国内外学者对鳍片的形状、尺寸优化设计等做出了大量的研究，如：Yalcin等分析了带导流罩的水平挤压鳍片热沉在自然对流时，单位基板面积上热通量的某些参数，发现当鳍片间距为8mm，鳍片长度为127mm时，热通量最佳。Arik等研究了不同高度的自然对流挤压鳍片，得到了几乎相同的结果。Thrasber等发现调整灯罩孔隙率会对产生热沉的制冷功率产生影响。Rahnama和Farhadi研究了放置于两个同心圆柱间的各种排列的矩形径向鳍片自然对流，得到径向鳍片的存在会使努塞尔数有一个较低的数值。Chang等给出了弯曲的径向鳍片的努塞尔数的空间分布，对优化鳍片长度和流体直径比来预设鳍片横截面，给出了其最佳比值公式，但其没有考虑压力和扩展热阻。目前，对于LED的散热鳍片的研究虽然取得了一定的成效，但仍存在不足。由此，设计了一种高效率的LED散热鳍片，该散热鳍片具有结构简单、高效节能，环保可靠的特点。

2散热性能研究

针对径向鳍片，在加装导流罩条件下，对其进行热学仿真，研究鳍片轴向长度对换热效果的影响，换热效果图如图1所示，随着鳍片轴向长度的增加，换热面积不断增大，换热效果得到增强，但随着鳍片轴向长度增大，基板温度降低趋势减弱，即增加鳍片散热面积对换热效果的影响作用减弱，再增加换热面积只会增大散热器体积。

图1不同鳍片长度换热效果图

由图1可知，随着径向鳍片轴向长度不断增加，热沉散热系统热阻不断减小，热阻随鳍片轴向长度的变化曲线如图2所示，由图2可知，当鳍片轴向长度在25-30mm时，热阻变化趋于平缓，综合考虑基板最高温度，选取最优的鳍片轴向长度为30mm。

图2鳍片片高度热阻关系

研究鳍片弯曲程度对换热效果影响，几种弯曲鳍片热沉，如图3所示，其中图3(a)为半径35mm的圆弧鳍片，图3(b)为半径30mm的圆弧鳍片，图3(c)为半径25mm的圆弧鳍片。

图5不同曲型鳍片热阻曲线

由两图可知，将直型鳍片换成曲型鳍片后，换热面积增大，同时流体与鳍片接触角度会发生变化，两种因素综合作用，导致换热效果产生差异。随着鳍片弧度的增大，在鳍片出风口处的距离不断减小，导致两个鳍片的对流换热层相互重合，这种作用阻碍了鳍片间气体流动，使换热效果略有减弱。通过仿真可得半径为30mm圆弧曲型鳍片的换热效果最佳。

径向鳍片散热器即常见的太阳花散热器，其结构参数主要有基板厚度、鳍片厚度、鳍片倾斜角度、鳍片径向长度等。进一步选取鳍片厚度、鳍片倾斜角度和基板厚度进行研究，图6(a)为鳍片与中轴夹角为0°，基板厚度为30mm时的散热器；图6(b)为鳍片与中轴夹角为15°，基板厚度30mm时的散热器；图6(c)为鳍片与中轴夹角为30°，基板厚度10mm时的散热器。

基于实验安排表，设计不同结构参数热沉，利用有限元分析软件进行热学仿真，仿真效果图如图7所示。

图7不同鳍片形状热沉散热效果图

由图7可得到实验范围内一组最优的参数组合为：肋片厚度1.8mm，肋片角度30°，基板厚度10mm。

3.结论

设计了一种高效率的LED散热鳍片，对于要求高效节能，环保可靠的LED照明系统具有重要的应用价值。文中对LED散热鳍片的结构进行了有限元分析，表明该LED散热鳍片的使用不仅能够简化LED灯具的设计过程，降低成本，提高照明效率，延长使用寿命，为大功率LED照明系统的散热设计提供有效的参考。

参考文献

[1]游志.大功率LED散热鳍片扩撒热阻研究.电子工业专用设备.2010,(188):37-40

[2]潘裕,向文江.大功率LED灯散热器结构设计.山东工业技术.2018,(5):7-8

[3]李淑宝,彭惟珠.自动叠装散热鳍片级进模设计.模具工业.2013,39(12):30-34?