[發明專利]一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數的確定方法

在審

• 申請號: 201510657647.6
• 申請日: 2015-10-12
• 公開（公告）號: CN105222014A
• 公開（公告）日: 2016-01-06
• 發明（設計）人: 梁鋒;趙連玉
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: F21S8/00
• 分類號: F21S8/00;F21V29/74;F21V29/89;F21V29/51;G06F17/50;F21W131/103;F21Y101/02
• 代理公司: 天津天麓律師事務所 12212
• 代理人: 王里歌

1.一種大功率LED路燈，其特征在于它包括燈殼、支架、透光罩、反光板、電源、LED燈珠陣列、鋁基PCB板、驅動器和鋁制散熱器組成；其中，所述LED燈珠陣列安裝在燈桿上，并封裝在鋁基PCB板的銅箔層上；所述PCB板通過兩個螺釘固定在鋁制散熱器的底板上，所述LED燈珠焊接于PCB板上；所述PCB板和鋁制散熱器底板之間的間隙中填充導熱硅膠減小板件之間的傳導熱阻；所述驅動器依驅動器蓋板安裝在鋁制散熱器上。

2.根據權利要求1所述一種大功率LED路燈，其特征在于所述鋁制散熱器為翅片式散熱器，且其翅片為改進的異形翅片；所述改進的異性翅片是加厚加高且有開槽的異性翅片；所述異性翅片的開槽內嵌有可以加強散熱器傳熱能力的平板微熱管。

3.一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數的確定方法，其特征在于它包括以下步驟：

①建立大功率LED路燈關鍵散熱構件的物理模型，抽取出與路燈散熱關系最緊密的幾個構件：LED路燈、鋁基PCB板、平板微熱管陣列、翅片散熱器；

②由于步驟①中的物理模型為三維構造體，因此要對其進行分析簡化，假設：

(1)單顆LED燈珠的輸入電功率恒定；

(2)各結構體材質均勻，導熱系數λ為常數；

(3)自然對流環境為標準大氣壓下的干燥空氣，且溫度T_A恒定；

(4)自然對流換熱系數α僅與翅片溫度T_F相關；

(5)由于翅片散熱的厚度t遠小于翅片高度H，所以忽略翅片末端及側面的對流換熱影響；

(6)忽略輻射散熱的影響，僅考慮對流換熱作用；

③等效熱阻網絡圖的建立：

經過步驟①的建模和步驟②的簡化，大功率LED路燈的三維散熱問題已經簡化為一維穩態傳熱問題，進一步地，將傳熱路徑轉化為等效熱路形式，形成方便分析各個分熱阻間的串、并聯關系的熱阻網絡；

④建立數學模型及計算散熱器結構參數：

根據步驟③中的熱阻網絡，結合各部分熱阻的串、并聯形式，可將芯片—環境的總熱阻定義為：

RJ-A=RLEDNLED+RCu+RD+RAl+RB+RF=TJ-TMQT+TM-TBQT+TB-TFQT+TF-TAQT---(1)]]>

式(1)中：

R_LED--LED燈珠封裝熱阻，可以通過查相關手冊獲取；

N_LED--LED燈珠的數量；

R_Cu--MCPCB板上覆銅層熱阻；

R_D--MCPCB板上介電層熱阻；

R_Al--MCPCB板上鋁基層熱阻；

R_F--新型散熱器翅片部分的熱阻；

其中，R_LED和N_LED為已知參數，MCPCB板上的覆銅層熱阻R_Cu,介電層熱阻R_D,鋁基層熱阻R_Al和散熱器鋁制基板熱阻R_B計算較為簡單，均可等效為一維平板傳熱問題，可將已知參數代入下式中進行計算：

RX=δXλXAX=δXλX(f·LX·HX)---(2)]]>

式中，X分別代表覆銅層C_u,介電層D，鋁基層A_l和散熱器鋁制基板B：

δ_X--各結構體材料熱傳導系數；

A_X--各結構體垂直于熱流方向的導熱面積；

f--面積系數，其中覆銅層面積系數f＝0.8,其余均為f＝1；

根據熱阻表達式及熱阻網絡圖，可得到散熱器翅片熱阻R_F由兩部分構成：傳統的矩形截面翅片熱阻R_F'和平板微熱管陣列的熱阻R_H，其中，R_H可在微熱管陣列的產品說明中提供，而R_F'可由下式計算得出：

RF′=1αAηF=1αηF(2NFHBW)---(3)]]>

式中：

A--翅片上垂直熱流方向且未被忽略的散熱面積總和；

η_F--翅片肋效率，可由下式計算得出；

ηF=tanh(mW)mW=tanh(2α/(λHt)W)2α/(λHt)W---(4)]]>

由于LED路燈的散熱器結構屬于豎直平面上矩形截面參與自然對流換熱的情況，因此，根據經VandePol范德波修正后的Elenbaas方程與實測數據，即可得到對流換熱系數α的數值，選用該經驗公式求取對流換熱系數α：

α=λAirrNu=λAirr.Raψ[1-e-ψ(0.50/Ra)3/4]---(5)]]>

式中：

ψ=24(1-0.483e-0.17/a*){(1+a*/2)[1+(1-e-0.83a*)(9.14a*e-0.4646S-0.61)]}3,Ra=gβ(TF-TA)varHB]]>

r=2WS2W+S,a*=SW]]>

由熱阻網絡圖可知，兩部分熱阻之間屬于并聯關系，因此，散熱器的總熱阻R_F滿足：

1RF=1RF′+NHRH---(6)]]>

從而可知，RF=RF′·RHRF′·NH+RH.]]>

在式(5)中，將已知的結構物理參數，包括下翅片散熱器底座寬度L_B，底座高度H_B，底座厚度δ_B，翅片間距S，翅片高度H，翅片厚度t，翅片數量N_F，平板微熱管陣列數量以及重力加速度g，代入式中，并根據空氣物性表，可以得到相關的涉及到空氣物性中的膨脹系數β,熱擴散系數a及導熱系數λ_Air，即可確定新型散熱器關鍵參數翅片間距S、翅片高度H、翅片厚度t以及平板微熱管陣列的數量N_H。

4.根據權利要求3所述一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數的確定方法，其特征在于所述步驟④中的散熱器翅片部分的熱阻R_F是將其考慮為普通鋁制矩形截面翅片與平板微熱管陣列并聯的形式，忽略平板微熱管陣列內部所進行的相變換熱所產生的熱阻。