肋片在LED灯具散热设计中的应用

　　LED是一种发热率高的电子元器件，过高的温度会削弱LED的发光效率、加快光强的衰减速度、缩短LED的使用寿命。所以LED灯具产品必须具有良好的散热能力。现在主流的散热途径是将LED焊接到铝基板上，再将铝基板固定到灯具上。若要进一步降低热量对LED灯具的不利影响，可以从技术创新和结构设计上进行突破。

　　在技术创新方面，首先，可以设法提高LED的内量子效率，使其电-光转化效率提高、减少自身发热量；其次，可以研发新型廉价高导热材料，增加传导过程中的效率。虽然技术创新可以带来革命性的散热性能的进步，但存在研发周期长、成果转化困难等问题。所以短期内比较有成效的散热改进设计可以从散热结构上入手。

　　在结构设计方面，可以创新封装结构、优化led灯珠在灯具中的布局或改进灯具外壳结构等。对于LED灯具外壳的散热设计，行业内主要采取增加散热肋片、使用散热风扇和平板热管等方法。但风扇的寿命远低于LED的寿命，会致使LED灯具提前失效；平板热管对热量传导的距离要求较高，体积较小的LED灯具不适合使用；采用肋片散热不但成本低廉，而且制造简便，配合良好的结构设计，肋片可以拥有较高的散热效率。本文着重对肋片的散热结构进行研究，力图找到影响肋片散热效率的因素，为LED灯具的散热结构设计提供理论依据。

　　1肋片散热涉及的传热学基础理论在传热学中，热量主要有3种传递方式：传导、对流和辐射。LED灯具的散热途径也无非是这3种。

　　所谓肋片，是指依附于散热基础表面上的扩展表面。

　　常见的肋片形状有针肋、直肋和环肋等（示如）。

　　肋片的使用是通过增加散热面积达到增强散热效果的目的。

　　常见肋片形状。1传导传热学中认为，单位时间内通过单位截面积所传导的热量，正比于此处垂直于截面方向上的温度变化率。把肋片的导热简化为一维稳态平壁导热模型后，可得其传导的傅里叶定律如式（1），率，为平壁的面积，AT为平壁两表面的温差，为平壁的厚度。

　　12对流由于本文只研究无风扇的散热过程，所以只涉及自然对流。在自然对流中，一个重要的公式是牛顿冷却公式：<10，其他符号含义同式⑴。

　　1.3辐射肋片表面的处理方式影响热辐射时的发射率，进而影响肋片的散热效果。热辐射的换热量公式为：量，C为肋片温度，T2为环境温度，其他符号定义同式⑴。

　　散热面积A，而在LED灯具上添加肋片正是为了增加散热面积，所以肋片的散热效果应该比较显著。本文中主要对肋片的传导和对流散热进行研究。

　　2肋片导热过程的简化分析肋片的导热要研究两个问题：一是从基础面伸出部分（即肋片）的温度沿导热热量传递的方向是如何变化的；二是通过肋片的散热热流量有多少。下文从导热微分方程出发来解决这些问题。受制造工艺和成本的影响，在LED灯具的散热应用中，我们多采用等截面直肋。

　　为了研究肋片中的温度分布以及通过该肋片的散热量，我们从等截面直肋中取一段进行微元法分析，如所示，设肋高为H肋片取单位长度为1，肋根温度为t，环境温度为。并且t >i其他符号的含义同上。

　　等截面直肋图为使这一问题的求解简化，我们进行适当的数学处理：沿着肋高方向的横截面积A.、肋片导热率A、肋片表面传热系数h均为常数；肋片温度在长度方向上不发生变化，可取单位长度进行分析；肋片顶端作绝热处理，有畀=0因为+远大于所以认为任一截面的肋片温度是均匀的。

　　由此，等截面直肋的导热可以简化成一维稳态导热问题。常物性、稳态的泊松方程可以简化为：设参与换热的截面周长为p引入过渡温度0 -，定义常量m =1xp/AxAc>再代入边界条件后可得关于温度的二阶齐次常微分方程，解之得（mH）的值可以在数学手册中查得，所以通过等截面直肋的热流量就可以计算得出。3肋片的效率及设计原则虽然针肋和三角形肋的散热效果比较优越，但其加工制造较困难，导致其成本大大增加，所以多用于航天科技。LED灯具中多使用矩形截面肋辅助散热。

　　3.1矩形截面肋的效率我们已知等截面直肋的效率等于实际散热量与理想散热量之比，应用到矩形截面肋后可表示为式（7），为了获得有良好散热效果的肋片，肋片效率的计算多涉及数值解法，此处不再详述。

　　3.2肋面的总效率实际应用中常采用多组肋片组合的方式散热（如），所以计算肋片的总表面积以及散热的总效率尤其重要。定义肋片的表面积为Af，两个肋片之间根部表面积为4，则肋面总效率可由下式算得，3.3肋片的设计原则为帮助散热，我们总希望使用少的材料获得大的散热面积。虽然增设肋片加大了LED灯具的散热面积，但同时也增大了通过固体的导热热阻，使总传热系数受到影响。因此，我们引入一个无量纲数一毕渥数（B；），对于LED灯具使用的直肋而言，当矣0.25时，能够发挥极好的散热功能。

　　部，如果太薄，无法拥有足够的热容量，不利于散热；如果太厚，同样会造成热量累积，反而导致导热能力下降，同时也不利于节省成本。

　　有一种理论认为散热瓦数和肋片底部厚度的关系如下：件EFD.Pro对其进行研究。保持其他条件不变，逐步改变肋片底部的厚度。通过仿真LED芯片处的温度，反映肋片底部厚度变化对散热的影响。模型如所示。中标注的尺寸即我们需要改变的肋片底部厚度尺寸。

　　肋片分析模型实物肋片底部厚度对散热的影响根据平壁传导公式（1）可知，肋片底部的厚度越当其他条件不变时，使肋片底部厚度从0.为了简化计算，我们使LED直接贴合在肋片底部，并忽略接触热阻对本。

　　表1LED处高温度随肋片底部厚度变化的数据肋片底部厚度LED局温度肋片底部厚度LED高温度肋片底部厚度（胃LED处高温度随肋片底部厚度的变化趋势从可以看到，当厚度增到时，肋片的散热性好；而后随着厚度的进一步增加，肋片的散热效果基本不变甚至还有恶化的趋势。所以肋片厚度对散热性的影响并不遵循式a）所描述的规律，也不严格符合式（1）所给的值2mm.所以在肋片的实际应用中，必须因地制宜，针对具体情况进行深入分析。

　　5肋片组合形状对散热的影响在散热肋片的设计中，既要能达到预期的散热效果，又要尽量减少材料的用量。为此，我们需要探究肋片的组合形状对散热的影响程度。

　　由传热学中的肋效率曲线可知，定义h为对流换热系数，H为肋片高度，A为肋片导热系数，为肋片厚度，参数对肋片散热的影响极大。据研究表明，为使肋片拥有较好的散热性能，应介于0 5~1.0之间。在此范围内，肋片间距、肋片高度、肋片厚度和肋片材料的导热性能对肋片的散热影响系数依次减小。

　　若单纯地增加肋高H为原来的两倍，则由0.5变为1.0，散热量也只是增加了49.而且散热面积增加到一定程度后，其散热效果增加已不明显。而改变肋片材料，比如用铜代替铝做散热肋片，设铝材的为0. 5，换为铜后散热效率也只是增加了不到9，而铜的造价是铝的数倍，显然此举意义不大。

　　在实际应用中，减小肋片间距和肋片的厚度是增强肋片散热效果的有效手段。虽然这也要受到制作工艺和制作成本的限制，但更易于实现。

　　6结论LED灯具的散热设计涉及工程热力学、传热学、材料学、计算科学等多门学科。要想做好肋片在LED灯具散热中的应用，必须有扎实的理论基础，并掌握至少一门仿真科学以进行理论验证。本文讨论了影响肋片散热效果的各个因素，对肋片底部厚度对散热的影响进行了仿真探究，并以此为例，说明led灯具的散热设计是一个系统性的复杂过程，不能单纯依靠理论公式和简单计算进行产品设计。要想发挥出肋片在led灯具散热中应有的作用，必须针对具体问题进行大量的仿真试验，从中筛选出优异的肋片结构。