大功率LED散热结构研究

张征宇

（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

大功率LED散热结构研究

张征宇

（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

目前大功率LED灯具的散热问题已经成为制约LED行业深入发展的瓶颈，体积小、重量轻、结构相对简单、制造加工成本低的散热器是研究的主要方向。不同的散热器由于结构设计不同，工作时散热特点也不尽相同。本文在实测现有主流LED灯具散热器并总结分析散热效果，进而提出传热-散热一体的LED灯具散热器结构设计理念，并对LED灯具工作温度场的分析，验证了传热跟散热一体化设计的理念。

大功率LED路灯；散热器；灯具散热优化

0 引言

发光二极管(Light Emitting Diodes)照明以其高效、节能、环保、应用灵活、寿命长、安全性高等一系列的优点，成为白炽灯、荧光灯后的又一新兴光源。近年来随着大功率LED照明产品在日常照明领域的不断普及，但随着功率的不断提高，大功率LED 的散热问题也日益突出，成为制约其行业发展的关键因素之一。本文首先从大功率 LED 散热问题入手，对比分析目前市场常见的几种大功率LED散热结构的散热特点，其次提出了大功率LED 灯具散热的结构优化设计。

1 常见散热结构

LED灯具输入功率为100W，采用高密集COB封装方式，对比如下。

1.1 热管加鳍片设计

图1 光源基板温度

图2 散热器界面温度

图3 光源表面温度

从热成像图片中可以看出光源基板的温度与散热器界面温度相差2℃。但是光源表面温度为74℃ ，光源中的热量还未及时的导出，在光源中积聚，影响光源的寿命，造成光衰。鳍片加热管散热的这种结构需要在灯具内部完成安装，对于灯具的外形尺寸有严格的要求，不易于成型各种结构尺寸。

1.2 均温板加鳍片散热

图4 光源基板温度

图5 散热器界面温度

图6 光源表面温度

从红外成像仪中可以看出光源表面温度与散热器周边温度相差30℃ 。光源中的热量未能及时的扩散出来，散热的均匀性不好。由于外设散热鳍片，灯具的整体重量增加，在灯具安装使用过程存在安全隐患。

1.3 LED路灯散热器一体化设计

1.3.1 有限元分析基础

三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T（x, y, z, t）满足：

式中：∂T∂x,∂T∂y,∂T∂z 为x, y, z方向的温度梯度；λxx,λyy,λzz为热导率；q0为单位体积的热生成；ρc是密度与比热容的乘积；dT dt为温度随时间的变化率。

式中：Vx, Vy, Vz为媒介传导速率。

对于稳态热分析∂T∂t=0，则（1）式可简化为：

由公式（3）、确定的边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。

1.3.2 散热模型

图7 光源基板温度

图8 散热器界面温度

图9 光源表面温度

LED灯具输入功率为100W，采用高密集COB封装方式，传热与散热一体化薄板型散热器件的稳态温度场如下。

从红外热成像仪中可以看出虽光源中心温度与周边温度相差9℃ 。但是光源表面的温度仅为69℃，热量基本导出，散热效果非常好。由于散热器件的散热效果比较好无需笨重的外壳来辅助散热，因此外壳采用PC材质，相比与传统散热器无安全隐患，散热效果大大改善。

2 小结

从以上对比得到采用传热与散热一体化设计的薄板型散热器件有明显的优势。

（1）与传统压铸型铝沉散热器和型材铝散热器相比，其重量可减轻3-6倍，在降低材料成本的同时便于安装。

（2）与热管散热器相比其重量也降低了1-2倍，在大功率LED 照明器件上其降低重量尤为明显。

（3）与传统热管散热器相比，其传热结合界面从热管散热器的3-4个结合界面减少到一个，其传热热阻大幅度降低。

（4）其不存在常用热管的传热密度低、低温冻凝、向下传热能力低下等缺陷，其后期维护优势明显。

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Research on heat dissipation structure of high power LED

Zhang Zhengyu
(College of JiaXing Vocational Technology,Jiaxing Zhejing,314036)

At present, the problem of heat dissipation of high powerLED lamp has become a bottleneck restricting the further development of the LED industry. The radiator has the advantages of small volume, light weight, simple structure, low manufacturing and processing cost is the main research direction Different structure design of radiator has the different radiating characteristics In this study,we the measured the existing mainstream LED lamp radiator and summarize and analyze the cooling effect. Then put forward the concept of LED lamp radiator structure design of heat radiating body And analysis of the LED operating temperature field, heat transfer and heat integration to verify the design concept

high power LED street lamp; radiator ; Lamp radiating optimization

张征宇（1978-），男，浙江嘉兴人，硕士，主要研究方向为结构设计与优化。

浙江省教育厅资助项目（Y201121558）。