一种用于大功率led路灯的散热器结构参数的确定方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设计LED照明领域，特别是涉及大功率LED路灯照明灯具设计过程中的散 热器结构尺寸参数确定方法，尤其是一种用于大功率LED路灯的散热器结构参数的确定方 法。 (二）
【背景技术】：
[0002] 半导体照明（LED，LightEmittingDiode)是LED应用产品的重点发展领域，据国 际权威机构预测，21世纪将进入以LED照明为代表的新型照明光源时代。根据科技部规划， 2011年进入第二阶段的十城万盏计划，即在50个城市建置200万盏LED路灯。LED路灯与 传统高压钠灯相比，长寿命是其最显著优势之一，而要保证大功率LED路灯能充分发挥这 一优势，散热是需要解决的首要的关键问题。
[0003] 目前广泛采用的LED芯片的光-电转换效率只有15 %~20%，绝大部分的电能转 换为了非辐射的热能，如果这一部分热能不能及时的散出，将会是LED芯片的结温急剧升 高，从而降低LED芯片的出光效率，引起LED路灯光衰，影响LED路灯的使用寿命。
[0004] 已有的LED路灯散热器设计多采用较为经济实用的翅片式散热器，在翅片结构尺 寸设计过程中通常采用经验设计的方法，散热效果较差，且设计过程费时费力，容易造成资 源浪费，某些大功率LED路灯采用了热管散热器等新型的散热方式强化散热效果，但是往 往仅是针对某一具体型号的路灯设计出的专用散热器，存在通用性较差的问题。本发明旨 在提出一种用于大功率LED路灯的新型散热器，其结构上采用传统翅片与平板微热管阵列 相结合的方式，针对某一指定型号的大功率LED路灯，可以根据其输入功率方便预测出芯 片结温，通过调整散热器的关键参数一翅片间距S、翅片高度H、翅片厚度t以及平板微热 管阵列的数量NH，将芯片结温控制在70°C，并综合考虑加工可行性及成本因素，确定出 散热器的结构参数，指导散热器设计。 (三）
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于设计一种用于大功率LED路灯的散热器结构参数的确定方法， 它可以克服现有技术的不足，针对所设计的新型大功率LED路灯散热器，建立关键散热部 件的物理模型，对模型进行合理简化的基础上基于等效热路法绘制出热阻网络图，提出一 种确定翅片间距S、翅片高度H、翅片厚度t以及平板微热管阵列的数量NH等散热器关键参 数的算法，以控制芯片结温为目的，可以根据实际的路灯的功率及外观形式灵活调整参数， 指导新型散热器的结构参数设计，具有重要的生产实践意义。
[0006] 本发明的技术方案：一种大功率LED路灯，其特征在于它包括灯壳、支架、透光罩、 反光板、电源、LED灯珠阵列、错基PCB(PrintedCircuitBoard--印制电路板）板、驱动 器和铝制散热器组成；其中，所述LED灯珠阵列安装在灯杆上，并封装在铝基PCB板的铜箱 层上；所述PCB板通过两个螺钉固定在铝制散热器的底板上，所述LED灯珠焊接于PCB板 上；所述PCB板和铝制散热器底板之间的间隙中填充导热硅胶减小板件之间的传导热阻； 所述驱动器依驱动器盖板安装在铝制散热器上。
[0007] 所述铝制散热器为翅片式散热器，且其翅片为改进的异形翅片；所述改进的异性 翅片是加厚加高且有开槽的异性翅片；所述异性翅片的开槽内嵌有可以加强散热器传热能 力的平板微热管。
[0008] -种用于大功率LED路灯的散热器结构参数的确定方法，其特征在于它包括以下 步骤：
[0009] ①建立大功率LED路灯关键散热构件的物理模型，抽取出与路灯散热关系最紧密 的几个构件：LED路灯、铝基PCB板、平板微热管阵列、翅片散热器；
[0010] ②由于步骤①中的物理模型为三维构造体，因此要对其进行分析简化，假设：
[0011] ⑴单颗LED灯珠的输入电功率恒定；
[0012] (2)各结构体材质均匀，导热系数λ为常数；
[0013] (3)自然对流环境为标准大气压下的干燥空气，且温度ΤΑ恒定；
[0014] (4)自然对流换热系数α仅与翅片温度TF相关；
[0015] (5)由于翅片散热的厚度t远小于翅片高度H，所以忽略翅片末端及侧面的对流换 热影响；
[0016] (6)忽略辐射散热的影响，仅考虑对流换热作用；
[0017] ③等效热阻网络图的建立：
[0018] 经过步骤①的建模和步骤②的简化，大功率LED路灯的三维散热问题已经简化为 一维稳态传热问题，进一步地，将传热路径转化为等效热路形式，形成方便分析各个分热阻 间的串、并联关系的热阻网络；
[0019] ④建立数学模型及计算散热器结构参数：
[0020] 根据步骤③中的热阻网络，结合各部分热阻的串、并联形式，可将芯片一环境的总 热阻定义为：
[0022] 式⑴中：
[0023] R_-LED灯珠封装热阻，可以通过查相关手册获取；
[0024] Nled-LED灯珠的数量；
[0025] Rcu-MCPCB板上覆铜层热阻；
[0026] RD-MCPCB板上介电层热阻；
[0027] RA1-MCPCB板上铝基层热阻；
[0028] RF-新型散热器翅片部分的热阻；
[0029] 其中，和为已知参数，MCPCB板上的覆铜层热阻Reu，介电层热阻RD，铝基 层热阻RA1和散热器铝制基板热阻RB计算较为简单，均可等效为一维平板传热问题，可将已 知参数代入下式中进行计算：
[0030]
(2).
[0031] 式中，X分别代表覆铜层Cu，介电层D，铝基层&和散热器铝制基板B:
[0032]δx-各结构体材料热传导系数；
[0033] Ax-各结构体垂直于热流方向的导热面积；
[0034] f-面积系数，其中覆铜层面积系数f= 0. 8,其余均为f= 1 ;
[0035] 根据热阻表达式及热阻网络图，可得到散热器翅片热阻RF由两部分构成：传统的 矩形截面翅片热阻R/和平板微热管阵列的热阻RH，其中，RH可在微热管阵列的产品说明中 提供，而R/可由下式计算得出：
[0036]
(3)
[0037]式中：
[0038] A-翅片上垂直热流方向且未被忽略的散热面积总和；
[0039]π- --M .
[0040] ⑷
[0041] 由于LED路灯的散热器结构属于竖直平面上矩形截面参与自然对流换热的情况， 因此，根据经VandePol范德波修正后的Elenbaas方程与实测数据，即可得到对流换热系 数α的数值，选用该经验公式求取对流换热系数α:
[0046] 由热阻网络图可知，两部分热阻之间属于并联关系，因此，散热器的总热阻心满 足：
[0047]
[0048]
[0049] 在式（5)中，将已知的结构物理参数，包括下翅片散热器底座宽度1^，底座高度Ηβ， 底座厚度SΒ，翅片间距S，翅片高度Η，翅片厚度t，翅片数量Nf，平板微热管阵列数量以及 重力加速度g，代入式中，并根据空气物性表，可以得到相关的涉及到空气物性中的膨胀系 数β，热扩散系数a及导热系数λ，即可确定新型散热器关键参数翅片间距S、翅片高度H、翅片厚度t以及平板微热管阵列的数量Nh。
[0050] 所述步骤④中的散热器翅片部分的热阻心是将其考虑为普通铝制矩形截面翅片 与平板微热管阵列并联的形式，忽略平板微热管阵列内部所进行的相变换热所产生的热 阻。
[0051 ] 本发明的优越性在于：
[0052] ①与传统的铝制翅片散热器相比，采用主动与被动散热方式相结合的新型散热器 具有更出色的散热性能，安装方便、维护成本低，在保证可靠性和成本的前提下，很好的解 决了大功率LED路灯的散热难题；
[0053] ②与传统的经验设计方法和软件数值模拟方法相比，本发明所提出的基于等效热 路法的散热器设计方法使得各个参数对散热效果的影响更加清晰明了，方便进行编程计 算，更有利于散热器参数的优化计算。 (