摘要：随着LED照明灯具的普及，尤其是大功率LED照明灯的使用，散热性能的好坏成为了影响其稳定性及使用寿命的一大关键因素。本文就LED照明灯具的散热问题进行了简要阐述，并对散热性能的影响因素进行了试验分析，最后对散热器结构的优化设计提出了一些建议，希望能为实际生产提供一定参考。
关键词：LED照明灯具；散热结构；优化设计
1 LED照明灯具的散热问题
LED发光的原理是大量活跃电子的运动将动能转化为光能，而在这一过程中很大一部分能量转变成热能，导致灯具内部温度上升。LED灯内部温度对其亮度存在直接影响，温度越高，亮度越低，且温度高低直接影响灯具寿命，相关研究表明温度越高，寿命越短，美国Cree公司发布的一项实验表明，当灯具温度105?C时，寿命仅10000h，而温度65?C时，寿命可延长至90000h，因此如何有效散热成为当前研究的一大热点。通常而言，灯具内部热量是通过热传导传递的，因此散热过程需要耗费较长时间。长期处于工作状态的LED照明灯具，尤其是大功率灯具，会产生大量热量，在高温条件下，会对其电极引线、芯片等产生不利影响，进而影响灯具等使用寿命，因此，解决灯具散热问题的关键是尽快将热量传递出去，需要有效提高散热性能。
2 LED照明灯具散热性能的影响因素
2.1 散热基板的影响
图1和图2分别为有散热基板和无散热基板的散热器，在安装同样的PCB铝基板和芯片后在三种不同功率下进行模拟试验，得到的结果如表1。该实验结果表明，有基板的散热器具有更好的散热性能，并且在功率大的时候具有更好的效果。
2.2散热器翅片的影响
散热器翅片对散热器同样影响很大，影响散热效果的具体因素是散热有效面积的大小。散热器翅片的长度、高度、厚度、以及翅片数目等能够影响总体散热有效面积，进而影响整体的散热性能。以100W的LED路灯作为试验对象，散热外壳选择金属铝，研究上述参数对散热效果的影响。采用宽度3mm，长度为15cm，翅片数为20的散热器翅片，在其余条件一致的情况下研究不同翅片高度与温度的关系，试验结果如图3所示，表明散热效果随着翅片高度的增加而有所提升，且翅片高度在0-30mm区间内的提升效果最明显，之后的散热效果提升不明显，说明翅片高度需要保持合理范围。随着翅片厚度的增加，散热性能下降，芯片温度呈上升趋势。而随着翅片长度的增加，芯片温度呈下降趋势，但是下降幅度越来越小，且过长的翅片会增大灯具体积，因此要合理设计翅片长度。在其他条件相同条件下，翅片数目与芯片温度的关系如图4所示，可见翅片数目在一定范围内随着数目增加散热效果增强，但是超过该范围之后，反而温度上升，这是由于翅片数目增多导致间距减小，降低了散热能力。
图3 翅片高度与温度的关系 图4 翅片数目与温度的关系
2.3 周围环境的影响
散热一般来说有三种途径：一是传导方式，二是对流散热，三是辐射散热。分析散热性能时，除了考虑灯具散热器结构，还需参考灯具的具体使用环境，只有确定使用环境之后，才能设计应用合理的散热结构，达到最佳的散热效果。当前一些设计人员并不重视这一点，尤其是部分商家只注重散热结构的外形美观，符合大众审美，仅仅依靠增加散热面积的方式改善散热效果，没有考虑灯具的设计能否适应当时的环境条件，因此无法达到较好的散热效果。
3 LED照明灯具散热器结构优化设计
3.1 选择合适的散热材料
在设计具有较好散热性能的LED照明灯具时，首先需要做好散热材料的选择工作，选择合适的散热材料是提高性能的关键。在选择时要充分考虑材质的导热性能、价格及工艺等，一般来说，热导系数越大的材料具有更好的导热能力。金属材料比如钻石、银具有最佳的导热能力，同时极为昂贵，而纯铜导热能力稍微差一点，但上述材料由于硬度较高，因此加工费用较高；纯铝硬度过低，容易发生弯折现象；铝合金成本较低，质量较轻，且容易切割，加工费用相对较低，因此一般选择铝合金材料作为主要的散热材料。
3.2科学设计散热器翅片
根据上述研究发现，散热器翅片对灯具的散热性能影响较大，因此需要根据其具体参数，进行合理、科学设计。散热器翅片高度、翅片间距会影响对流面面积，而翅片数量增多会增加散热的总体有效面积，导致热量散发的越快，灯具的温度可以快速降低。但是与此同时，受加工工艺所限，翅片数量不能随意增加，且在一定空间范围内翅片数量的增加会导致翅片之间间距的减小，进而导致对流面积的减小，反而会降低散热效果，通常散热翅片个数不宜超过40片，以10-30片为佳。散热器翅片厚度越大，会增大灯具的整体重量，提高成本，同时对提高其散热性能帮助不大。因此，在设计散热器结构时，首先一定要对其翅片高度、厚度、长度、间距等对温度的影响进行详细研究，进行各类参数试验，将得到的试验结果作为依据，科学、合理设计散热器结构，使得其散热效果得到优化。就以往工艺经验而言，翅片高度、长度需设计合理，既不过长，也不过短，选择适当的翅片高度能够提高散热效果，需要根据实际灯具尺寸以及功率进行合理设计，而翅片厚度最好选择在1毫米左右。
3.3散热器的表面及内部设计
散热器结构优化设计中，一个重要方面是对散热器进行表面以及内部线路设计处理。现有的一些研究表明，在对散热器进行表面处理时，相比白色的喷粉处理而言，使用黑色的阳极氧化处理，会产生更好的散热性能。因为黑色阳极氧化处理之后，散热器表面的辐射率更佳，通过红外波的形式能够带走一定热量，从而降低其整体温度。在对散热器内部设计时，首先需要了解其热量传导原理，LED内部热量是通过粘结层传送给金属线路板的，进而传到散热器，因此一般通过打线、共晶和覆晶这几种措施，连接芯片与散热基板，从而提高其散热能力。打线方式采用金属导线进行连接并传递热量，受导线材质、形状影响较大，而共晶、覆晶不会受此影响，而且散热传导能力更佳，因此在优化其散热结构时，可以采用这两种方式。
3.4改善散热器的对流环境
散热器结构优化设计中，也可通过改善散热器的对流环境来提高散热性能。对流散热的方式分为自然对流和强制对流两种，通常小功率的LED灯具采用自然对流的方式就能够满足其散热需求，但针对大功率LED灯具，就需要针对性地改善对流环境，以便达到较好的散热效果。具体可以采用的方式包括改变散热片的形状，从而改变空气层流状态，或者可以通过加装风扇来增强对流效果。
4 结束语
对LED照明灯具散热器结构进行合理优化，可以提高其整体散热性能，有效延长灯具的使用寿命。本文主要通过选择合理的散热材料、科学设计散热器翅片、改善对流环境等将其结构设计进一步优化。希望能为LED散热性能的提高提供一定参考，推动我国节能环保型社会可持续发展。
参考文献：
[1]姚寿广，李春涛，陈勇.某型LED灯具散热器的优化[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2018，32（02）：192-196.
[2]王裕林，杨帆，李飞，陈亮.某型飞机LED航行灯散热器设计及研究[J].制造业自动化，2018，40（03）：110-113.
[3]潘裕，向文江.大功率LED灯散热器结构设计[J].山东工业技术，2018（05）：7-8.
[4]阮友亮，闫转芳，阎茜，方亮.LED照明灯具散热器结构优化设计[J].中国照明电器，2013，12：19-23.
论文作者:黄凯华
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/24
标签：散热器论文; 翅片论文; 灯具论文; 温度论文; 性能论文; 结构论文; 散热效果论文; 《防护工程》2019年第3期论文;