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摘要：本文分析了大功率LED灯具工作时，可能会影响散热性能的因素，进行了大功率LED灯具散热的研究。主要从大功率灯具的散热器结构的优化设计、有效散热面积、散热器表面处理工艺、散热器材料等几个方面进行分析。探讨这些因素与散热性能之间的关系。最终得出改善LED灯具对流环境、选择合适的散热器材料、对散热器结构设计工作加以优化，做好散热表面的工艺处理工作均能够有效提升LED灯具的散热效果的结果。
关键词：大功率LED灯具；散热；优化设计
发光二极管，即LED，其有着环保、节能、使用寿命长，无汞等优点。在当下，放光二极管在人们日常生活中的显示领域、照明领域得到了广泛的应用。但是大功率的LED存在着输入功率转化光能效率低的问题，这意味着有大部分功率会被转化成热能。而热能如果无法有效的被散出，则会大大影响LED的寿命。所以，大功率LED的发展受到了散热问题的限制。这就意味着，大功率LED灯具散热器的优化设计、散热结构内部的改善将是LED设计人员首先要考虑的问题，只有解决好了LED灯具的散热问题，才能够提升LED的寿命，确保其工作的稳定性。本文对可能影响大功率LED灯具散热性能的因素进行研究，优化了大功率LED灯具散热器的结构设计。
1、对LED灯具对流环境加以改善
强制对流和自然对流是对流散热的两种常见方法。通常自然对流就能满足小功率LED的散热需求。但是对大功率LED而言，自然对流就无法满足其散热需求。往往需要采取一定的手段，做好强制对流工作，辅助散热，如加风扇，通过修改散热片形状，改变空气层流状态。
2、散热表面的工艺处理工作
2.1阳极氧化表面处理
通过电解作用，将作为阳极的铝合金散热器置于电解溶液中，形成氧化铝薄膜是铝阳极氧化的实质。这会使散热器的表面获得一定程度的物理吸附能力和耐腐蚀性。阳极在新氧化铝加入后，会析出氧，而炭粉会和氧发生反应，使阳极的表面变得更加清净。然后随着电阻的逐渐变小，电解过程也会变得正常。散热器在经过铝阳极氧化后，可以采用电解着色，进行染色。在本次研究中，就通过这样的方式，电解着色，获得了一个经过阳极氧化处理的黑色表面的散热器。
2.2喷粉工艺
我们通常也将喷粉工艺称作粉末涂装。在本次研究中，使用喷枪，利用粉末喷涂法，均匀的将白色粉末喷涂在了散热器的表面。等待加温烘烤固化后，粉层流平，形成膜层以后。便可以进行数据的测量工作。
图1 温度测试部位示意图
2.3本色处理
不对散热器表面进行处理，直接在LED灯具上进行散热处理，就是本色处理。
2.4温度测试实验
在本次试验中，对灯体采用数字采集仪进行实验，本次实验使用的是XICATO模组（16W），70℃的结温。图1中示意了温度感应探头所需要测试的灯体、散热座底部、LED模组的温度测试部位。本次实验采用了一个稳定的环境温度，实验室温度在23.00℃~24.00℃之间，这样的温度便于实际应用。
本次实验对本色处理、粉末涂装、阳极氧化三种情况进行了温度测试，具体测试结果如图2所示。
图2 不同方式处理散热器表面温度测试图
在图2中，线A、B、C、ET分别指的是LED模组、散热座底部、灯体、室内的温度。我们可以发现，在图（1）和图（2）中，A、B、C三者的曲线温度要比图（3）的曲线温度低8℃左右。这意味着，做好散热表面的工艺处理工作能够有效的提升灯具的散热效果。除此之外，在图（1）和图（2）的对比中，我们不难发现，阳极氧化的表面散热效果要比喷粉表面的散热效果略好一些，这是因为黑色的阳极氧化表面有着比白色喷粉表面更好的辐射率，有一部分能量会被辐射通过红外波这一形式带走，这也是便于灯具散热的。
3、优化大功率LED散热器结构
散热器结构的优化主要体现在选择散热器材料、设计散热器翅片、优化散热器设计结构三个方面。
3.1选择合适的散热器材料
材料的导热能力是选择散热器材料时应该优先考虑的，在选择导热能力好的材料的同时，要与该材料的价格、工艺性等其他参数结合起来考虑。材料的导热系数越大，意味着这个材料的导热能力就越强。在选择导热系数大的材料的同时，还要考虑其他因素。例如，银、钻石的导热系数较高，但其价格高。纯铜有着仅次于前者的导热能力，但是存在加工难度大的问题；而纯铝又因为硬度低，无法进一步的切削加工。所以，在选择散热器材料时，往往选择的使铝合金。这主要是铝合金有着导热性能好、处理方便、成本低等优点，市场上大部分的LED散热器材料都选用的是铝合金，而处理工艺通常选择挤压成型或压铸。
3.2设计散热器翅片
在设计散热器翅片时，我们通常会考虑散热器翅片的数量、高度和宽度。暴露在周围环境下的表面积之和指的就是散热面积。这也就意味着散热器的散热面积越大，热容量也就越大。翅片之间的宽度、翅片高度的不同直接决定着对流面的面积。这会对散热器的散热效果产生较大影响。而翅片的数量的多少，决定着散热面积的大小，翅片越多，面积越大，散热越快。所以通过增加翅片数量能够提升散热效果。但翅片不宜过多，因为工艺限制，翅片无法无限叠加，且翅片密度大会影响对流，减弱散热效果。我们通常将翅片控制在四十片，最为合适。散热器翅片的厚度的宽厚不影响散热效果，但翅片过厚会使成本提高。所以通常控制厚度在1mm以上，并尽可能在此基础上使散热器的厚度减薄。适量的提高散热器翅片高度能够使散热器的散热性能得到提升，但过度提升高度会使灯具重量增加，不符合实际需求。
3.3散热器结构的优化设计
综上所述，我们选择的散热器材料为铝合金，设计翅片数目为38片，翅片宽度2mm~3mm，翅片高度为66mm。这样设计有利于自然对流的进行。在选择散热器布局结构时，为确保散热器内的换热系数、气流组织，我们选择波纹状翅面结构，可制造紊流。
4、实例
我们统计了采用本文方法优化设计后的散热器的两种产品数据，其参数见表1。
表1 LED参数对比图
我们从表1中能够得出，采用了这种散热器方法的LED灯，有着更高的亮度、更长的寿命、更小的发热量、更小的用电量。所以本文所采用的优化设计方案对大功率LED灯具效果明显。
5、结语
对于大功率LED灯具而言，优化其散热效果有着非常重要的意义。本文对可能影响LED灯具散热效果的几个因素进行了分析，并对其加以改善。得出改善LED灯具对流环境、选择合适的散热器材料、对散热器结构设计工作加以优化，做好散热表面的工艺处理工作均能够有效提升LED灯具的散热效果的结果。这对大功率LED灯具的散热设计都有着一定的帮助，将其应用到实际生产中，能够起到一定的指导作用，优化大功率LED灯具散热器的散热效果。
参考文献
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[3]佟鑫.LED灯具散热器的结构研究与优化设计[D].吉林大学,2013.
论文作者:唐天勇,姚利民
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/20
标签：散热器论文; 灯具论文; 阳极论文; 翅片论文; 材料论文; 表面论文; 散热效果论文; 《防护工程》2018年第20期论文;