[發(fā)明專利]一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數(shù)的確定方法

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• 申請日: 2015-10-12
• 公開（公告）號: CN105222014A
• 公開（公告）日: 2016-01-06
• 發(fā)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

(一)技術領域：

本發(fā)明設計LED照明領域，特別是涉及大功率LED路燈照明燈具設計過程中的散熱器結構尺寸參數(shù)確定方法，尤其是一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數(shù)的確定方法。

(二)背景技術：

半導體照明(LED，LightEmittingDiode)是LED應用產品的重點發(fā)展領域，據(jù)國際權威機構預測，21世紀將進入以LED照明為代表的新型照明光源時代。根據(jù)科技部規(guī)劃，2011年進入第二階段的十城萬盞計劃，即在50個城市建置200萬盞LED路燈。LED路燈與傳統(tǒng)高壓鈉燈相比，長壽命是其最顯著優(yōu)勢之一，而要保證大功率LED路燈能充分發(fā)揮這一優(yōu)勢，散熱是需要解決的首要的關鍵問題。

目前廣泛采用的LED芯片的光-電轉換效率只有15％～20％，絕大部分的電能轉換為了非輻射的熱能，如果這一部分熱能不能及時的散出，將會是LED芯片的結溫急劇升高，從而降低LED芯片的出光效率，引起LED路燈光衰，影響LED路燈的使用壽命。

已有的LED路燈散熱器設計多采用較為經(jīng)濟實用的翅片式散熱器，在翅片結構尺寸設計過程中通常采用經(jīng)驗設計的方法，散熱效果較差，且設計過程費時費力，容易造成資源浪費，某些大功率LED路燈采用了熱管散熱器等新型的散熱方式強化散熱效果，但是往往僅是針對某一具體型號的路燈設計出的專用散熱器，存在通用性較差的問題。本發(fā)明旨在提出一種用于大功率LED路燈的新型散熱器，其結構上采用傳統(tǒng)翅片與平板微熱管陣列相結合的方式，針對某一指定型號的大功率LED路燈，可以根據(jù)其輸入功率方便預測出芯片結溫，通過調整散熱器的關鍵參數(shù)---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(shù)量N_H，將芯片結溫控制在T_J≤70℃，并綜合考慮加工可行性及成本因素，確定出散熱器的結構參數(shù)，指導散熱器設計。

(三)發(fā)明內容：

本發(fā)明的目的在于設計一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數(shù)的確定方法，它可以克服現(xiàn)有技術的不足，針對所設計的新型大功率LED路燈散熱器，建立關鍵散熱部件的物理模型，對模型進行合理簡化的基礎上基于等效熱路法繪制出熱阻網(wǎng)絡圖，提出一種確定翅片間距S、翅片高度H、翅片厚度t以及平板微熱管陣列的數(shù)量N_H等散熱器關鍵參數(shù)的算法，以控制芯片結溫為目的，可以根據(jù)實際的路燈的功率及外觀形式靈活調整參數(shù)，指導新型散熱器的結構參數(shù)設計，具有重要的生產實踐意義。

本發(fā)明的技術方案：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(PrintedCircuitBoard——印制電路板)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。

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。

一種用于大功率LED路燈的散熱器結構參數(shù)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(shù)λ為常數(shù)；

(3)自然對流環(huán)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(shù)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(wǎng)絡圖的建立：

經(jīng)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(jīng)簡化為一維穩(wěn)態(tài)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(lián)關系的熱阻網(wǎng)絡；

④建立數(shù)學模型及計算散熱器結構參數(shù)：

根據(jù)步驟③中的熱阻網(wǎng)絡，結合各部分熱阻的串、并聯(lián)形式，可將芯片—環(huán)境的總熱阻定義為：