基于大功率散热器优化设计分析

张吉庆（大连斯频德环境设备有限公司,辽宁大连116000）

基于大功率散热器优化设计分析

张吉庆
（大连斯频德环境设备有限公司,辽宁大连116000）

本文针对大功率LED灯具散热器结构参数与散热特点，采用仿真模拟软件对其散热系统的核心部件的结构参数进行模拟，并运用中心组合设计及响应面分析原理度平板翅片型散热器进行优化设计。

大功率；散热器；优化设计；参数分析

0　引言

发光二极管（LED）因具有使用寿命长、节能环保等特点被广泛应用于现代LED显示器及照明领域，随着人们对于LED大规模应用，其工作功率也越来越大，在照明领域大功率LED装置电能转化率非常低，大部分电能生成电阻热而浪费。另一方面如果大功率LED工作时不能热量及时传递出去，就会降低灯具的使用寿命，因此对大功率散热器装置进行优化设计，对于提高灯具的使用寿命与工作效率具有非常重要的意义。

1　大功率散热器结构优化设计依据

1.1散热器翅片数量

一般散热器的散热面积越大，则热容量、散热效果越好。其散热表面积取决于翅片高度与间距，翅片数越多，散热的表面积越大，因此散热器设计过程中相应增加翅片数量能够有效降低灯具工作温度、提高散热效率，但由于灯具自身设计结构与尺寸的限制，翅片数量不可能无限制增加，而且如果翅片数量过多、密度相应增大，反而不利于散热，因此翅片数量一般为35片左右。

1.2散热器翅片宽度

散热器翅片宽度主要体现于其厚度尺寸，但实际使用过程中翅片的厚度参数对于灯具散热效果影响较小，因为厚度参数的改变并不能显著改变翅片的有效散热面积，如果过度增加翅片厚度，反而会增加设备制造成本。因此散热器设计制造过程中，翅片宽度、厚度尺寸应尽量小，但受挤压工艺技术限制，其厚度必须大于1mm。

1.3散热器翅片高度

关于散热器翅片高度对其散热效果影响程度的分析，考虑利用试验方法来解决，首先保证翅片的其他结构参数与工作环境不变，用计算机仿真软件对翅片高度参数与灯具工作温度关系进行仿真实验，由实验得出：随着翅片高度参数的增加，灯具温度出现明显的下降趋势，但是当翅片高度达到65mm左右时，高度继续增加散热能力趋于平缓，因此在一定范围内增加翅片高度能够显著提高散热器的散热效果。

2　散热器物理模型的建立

大功率LED灯具主要由多孔型灯壳、透光罩、反光器、照明电源、LED灯珠、铝基集成电路以及平板型翅片散热器等组成。根据要求可将其设定为LED灯珠：型号为OSRAMLUW-W5AM，灯珠需要10颗左右，每颗灯珠额定功率为1瓦，电能转化效率设定为80%，在仿真模拟软件中使用二维点光源表示；铝基集成电路板的长宽高结构参数为180mm*92*1.5mm，线路板导热系数设定为200W/(m*k),铜膜覆盖厚度为60μm，导热系数为380W(m*k)；平板型铝翅片散热器：散热器长宽高参数为220mm*130mm*10mm，翅片厚度2mm，翅片间距及高度为：5mm，20mm,外壳导热系数为200W(m*k)。

采用Icepak仿真模拟软件进行实验时，工作环境参数定义为自然对流换热模型，且周围介质环境为20°干燥空气。该软件计算域必须足够大，一般情况下计算域选定为：重力反方向上的模型高度定为3倍模型参数，重力方向模型高度定为2倍模型参数，模型侧面结构参数定为0.5倍结构参数，参考模型如图1，利用三维软件设计原理，可从不同层面对数据进行分析检测，实验过程中采用开放型边界条件。

3　大功散热器优化设计分析

3.1中心组合设计

首先采用等效电阻电路的处理方法，对散热器三个结构参数进行优化设计。三个结构参数分别为：翅片高度20mm；翅片间距6mm；翅片厚度2mm，然后根据CentralComposite设计原理对三个结构参数对散热器散热效果的影响，得出以下实验因素水平编码值表：

表1　中心组合试验设计因素水平编码值表

表格中：r表示各结构参数与中心点的间距

3.2数学模型优化设计

运用DesignExpert8.06，可计算出散热器三个结构参数对于散热效果的响应值，最后得出下列方程式：

上述方程中：xi、xj为变量编码值；b0、bi、bji、bii,为计算系数；p为变量代号。

3.3散热器翅片结构参数最佳值确定

根据二次相应曲面模型计算方法求得二次相应面的对应方程的稳定取值点：

利用上式可将回归方程换算为矩阵的形式：

然后利用求导法则对上式进行求导可得：

求得驻点即各结构参数的最佳值：

假如在实际取值范围内无法求得驻点，即中心组核试验确定的响应面图形为近似板型，此时需要对考虑边界条件确定最佳值点。

4　结语

本设计主要是对大功率LED灯具散热器的核心部件：灯珠、铝基集成电路板、平板翅型散热器，采用中心组合法对翅片散热系统结构参数进行优化设计：得出散热器的三个响应因子为翅片高度、间距及厚度，响应值为散热器工作温度；通过实验计算得出散热器的工作温度值，然后在利用DesignExpert8.06软件响应面分析程序对实验结果进行回归拟合，得出影响散热器散热性能的结构参数按主次顺序为：翅片高度＞翅片间距＞翅片厚度；3个响应因子的最佳结构组合为：翅片高度23．50mm，翅片间距6．05mm，翅片厚度1．32mm，在此条件下，散热器温度为45.2822℃。

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