LED灯具石墨散热器结构优化设计

　　发光二极管（LED）以其发光效率高、能耗小、寿命长、可靠性好、安全环保等特点正逐步取代白炽灯等传统光源。理方式，大部分LED芯片的终发光效率只有1020，而其余8090的电能则转化成了热能。如果LED芯片产生的热量不能及时有效地耗散，则会导致芯片温度升高，芯片发光效率和荧光粉转换效率下降，色温质量下降，芯片加速老化，甚至失效。随着LED灯具功率增加，集聚的LED芯片越多，发热量上升，散热问题涉及到光、电、色等问题显得更加突出。因此，迫切地需要通过提高散热器材料的导热性能或改进散热器结构等措施来解决LED灯具的散热问题。

　　目前广泛使用的LED灯具散热器是压铸铝和拉伸铝散热器，其导热系数为70200W/（mC）密度为2 g/cm3.采用铝散热器散热效果较好，但铝散热器是导电体，需要额外进行绝缘处理，且灯具整体质量较大，生产成本高。

　　为了进一步降低LED灯具质量和制造成本，采用石墨导热复合材料生产石墨散热器替代金属散热器已成为新的研究方向。石墨导热复合材料大多是以天然鳞片石墨或改性石墨为填料，纤维为增强材料，沥青或其它物质为粘接剂，通过特殊生产工艺制备而成，其导热系数为1050W/（m°，密度为1. 92.1g/cm3.已有部分石墨导热复合材料制成石墨散热器应用于LED灯具的散热，如硕恩科技推出的MR16LED多孔性石墨散热器灯具。LED灯具的散热方式包括被动散热、风冷散热、热管散热等。散热片的种类也很多，如压印散热片、挤型散热片、铸造散热片等。但是，不管形状如何变化，翅片式的结构依然是设计的基础。本。

　　表2不同影响因素的具体参数翅片长度翅片角度翅片厚度散热器导热系数1.2正交试验设计为了能够更好地分析影响散热器性能的各项因素，获得优设计参数，采用正交试验的方法对不同尺寸参数的散热器模型进行仿真。把影响LED灯具散热器散热性能较大的4个方面作为正交试验的因素，分别为翅片长度、翅片角度、翅片厚度、散热器导热系数，选取四因素三水平L9（43）型正交试验表来进行优化，正交试验设计如表3所示。

　　1.3空气对流交换系数空气对流交换系数是热分析理论中一项重要的参数，它与很多因素相关，如接触面的粗糙度、形状、大小、布置方式，还与空气的温度、湿度、密度、风速等有关。这些复杂因素导致对流换热系数的测定与计算极其困难，为了更加符合实际情况，本，心、/的变化均对a的取值有一定的影响。

　　依据经验，翅片间距越宽，翅片与翅片之间包围的空气流动越容易，单位时间内空气带走的热量越多，空气对流交换系数越大。一般室内空气对流交换系数为510W/（rn2°，本，表4列举了不同角度下翅片间距与对流交换系数。

　　°C）a为翅片间大间距，单位mm.表3散热器结构的正交试验设计翅片长度翅片角度翅片厚度散热器导热系数因素mm表4不同角度情况下翅片间距与对流交换系数翅片角度/（°）翅片间距/mm对流交换系数翅片角度/（°）翅片间距/mm对流交换系数2结果与讨论2.1散热器翅片长度的影响为芯片高温度和翅片体积随翅片长度变化关系。

　　从中可以看出，在翅片长度为39mm时，芯片高温度从102.44C急剧下降到57.19C，翅片体积迅速增大。

　　在翅片长度为925mm时，芯片高温度从57.19C缓慢变化为39.30C，翅片体积增加的趋势随着长度的增加有所降低。由此可知，散热器翅片长度的改变对灯具散热状况有很大影响。这是因为散热器翅片长度增加，翅片体积增大，与空气接触的翅片表面积上升，热量更容易传输到周围空气中。结果表明，翅片的长度平均每增加1倍，则散热能力提高为原来的1.3倍，而翅片体积会增加到原来的1.7倍。因此，过分地增加翅片的长度会增大LED灯具体积，导致灯具质量增加，不符合LED灯具的应用要求。因此，在设计优化时应权衡考虑。

　　2.2散热器翅片角度的影响4为芯片高温度和翅片体积随翅片角度变化关系。从中可以看出，随着翅片角度由4°增加到15°芯片高温度变化曲线与翅片角度基本上呈线性关系，芯片高温度从38.05C逐渐升高到55.44C，而翅片体积随着角度的增加呈下降趋势。由此可知，散热器翅片角度的改变对灯具散热状况的影响较大。仿真结果表明，散热器翅片角度每减小1°，芯片高温度平均降低1.7C，但是不能无限降低翅片角度。这是因为翅片角度过小会导致翅片数量过多，翅片之间无法形成有效的散热间距，引起空气对流交换系数严重下降，不利于散热器散热，且翅片数量过多会导致加工困难，散热器体积增大，所以翅片角度应依据灯具功率大小与使用状况合理选取。

　　2.3散热器翅片厚度的影响为芯片高温度和翅片体积随翅片厚度变化关系。

　　从中可以看出，随着翅片厚度由0.25mm增加到1.50日/社mm，心片取高温度从48. 42C降牛低到46.14C，翅片厚度增加6倍，翅片体积增加5.1倍，而芯片高温度仅降低4.7.由此可知，散热器翅片厚度的改变对灯具散热状况的影响不大。仿真结果表明，散热器翅片体积与厚度呈线性关系，翅片厚度的增加能有效增大翅片体积，但是翅片整体散热表面积增加量较小，即散热面积增加有限。因此，设计LED灯具散热器时，在散热器翅片满足强度要求的情况下应尽量减小翅片厚度。

　　翅片厚度/mm芯片高温度和散热器低温度随散热器导热系数变化关系2.4散热器导热系数的影响为芯片高温度和散热器低温度随散热器导热系数变化关系。从中可以看出，当散热器导热系数由10W/（mC）增加到50W/（mC）时，芯片高温度从59.73C急剧降低至44.53C，散热器低温度从35. 58C迅速升高到38.51C，散热器导热系数的增加对灯具散热状况有很大影响；当散热器导热系数由50W/（mC）升高到230W/（mC）时，芯片高温度从44.53C缓慢降低至41.17C，散热器低温度从38. 51C缓慢升高到39.20C，散热器导热系数的增加对灯具散热状况的影响不大，石墨散热器导热系数在50W/（mC）左右时就可以获得很好的散热效果。总的来说，随着散热器导热系数的增加，芯片高温度和散热器低温度之差从24.15C下降到1.此，提高散热器导热系数可以显著改善LED灯具温度的分布情况，使温度分布更加均匀，整体散热效果更好。

　　2.5正交试验设计与数值仿真表5为正交试验设计及仿真结果，可以看出极差的大小为Rd>Rb>Ra>Rc，而极差表示该列因素的数值在试验范围内的变化导致试验指标在数值上有更大的变化，即因素的水平对仿真结果的影响更大。所以本试验中各影响因素的主次顺序为D（散热器导热系数）>B（翅片角度）>A（翅片长度）>C（翅片厚度）。在确定因素主次后，还要确定试验范围内的优方案，即各因素较优水平的组合。本试验的指标是LED灯具芯片高温度值，芯片高温度值越低说明灯具散热器散热效果越好，所以要取各列民中小的那个值对应的水平。由于D因素列因素列　　优化前（a）和优化后（b）LED灯具石墨散热器温度场及优化后LED灯具铝散热器温度场（c）此外，优化后的LED灯具石墨散热器比铝散热器灯具芯片高温度（35.29C）仅高出2.23C，低于芯片所能承受温度，石墨散热器替代铝散热器后灯具的散热状况良好，且石墨散热器质量比铝散热器减少了25.9.说明石墨散热器可以满足LED灯具的散热要求，且能有效减轻灯具的整体质量。

　　表5正交试验设计及仿真结果序号影响因素芯片高温度/C 3结论CD散热器翅片长度每增加1倍，散热能力提高为原来的1.3倍；翅片角度每减小°，芯片高温度平均降低1. 7°C；翅片厚度的改变对灯具散热状况的影响不大；散热器导热系数的提高可以显著降低芯片高温度并改善温度的分布情况，使温度分布更加均匀。

　　影响灯具散热因素大小的顺序为散热器导热系数>翅片角度>翅片长度>翅片厚度，优化后的散热器导热系数°C）、翅片角度为7°翅片长度为19mm、翅片厚度为0.7mm，优化后芯片高温度为37.52°C，比优化前芯片高温度下降了20.6，优化前后芯片高温度和散热器低温度之差从9.29C下降到5.21C.优化后的LED石墨散热器灯具比铝散热器灯具芯片高温度仅高出2.23°C，因此，石墨散热器可以满足LED灯具的散热要求，且石墨散热器质量比铝散热器减少了上述研究结果可对LED灯具石墨散热器的散热设计和实际生产提供一定的理论指导。